Tila kosmologiassa
Minua oli pyydetty puhumaan 26.8. Mäntän museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä. Toikan töihin ilmeisesti liittyvien käsitteiden mukaisesti puhuin otsikolla ”Tila ja kauneus kosmologiassa”. Kirjoitan tässä esityksestä, rönsyjä karsien; tarjolla on hahmotelmia aiheen tiimoilta, ei hiottu kokonaisuus. Pituuden vuoksi jaan tekstin kahteen osaan, joista tämä ensimmäinen käsittelee tilaa ja maanantaina ilmestyvä kauneutta.
Käsityksemme tilasta ja koosta perustuu arkisiin pituuksiin. Evoluution myötä olemme kehittyneet hahmottamaan sellaisia pituusskaaloja, joiden ilmiöt ovat oleellisia henkiinjäämiselle ja joihin voimme tietoisesti vaikuttaa. Maailmankaikkeuden tutkimus on lähtenyt liikkeelle tutuista mitoista kohti laajemman maailmankaikkeuden ja pienemmän sisäavaruuden salaisuuksia.
On saatu selville, että meidän kokoluokkamme tapahtumien taustalla ovat pienessä mittakaavassa kvanttiteorian ja isossa yleisen suhteellisuusteorian lait. Molempien paljastama kuva maailmasta on tyystin erilainen kuin se, joka arkiskaalojen perusteella luultiin todeksi. Niinpä emme voi ankkuroitua arvioimaan lyhyempiä ja isompia mittakaavoja pelkästään arkisten käsitysten pohjalta, täytyy myös arvioida uudelleen oman kokoluokkamme tapahtumia.
Näillä periaatteellisilla muutoksilla maailmankuvaan ei kuitenkaan ole juuri merkitystä käytännön toiminnan kannalta (paitsi mitä tulee niiden hyödyntämiseen teknologiassa – kvanttimekaniikka on mullistanut arkemme). Syynä on se, että maailmankaikkeus on rakentunut hierarkisesti: kokonaisuudet muodostuvat pienemmistä osista palikka palikalta, mutta isot rakenteet eivät ole herkkiä pienten yksityiskohdille. Tiilitaloja voi rakentaa kvanttiteoriasta välittämättä, eikä ilmastonmuutos heilauta planeettoja suuntaan tai toiseen.
Me koostumme soluista, joiden osaset kasautuvat molekyyleistä, jotka puolestaan ovat atomien kokoelmia; atomit koostuvat ytimistä ja elektroneista, ja ytimet ovat rakentuneet protoneista ja neutroneista, jotka ovat toisiinsa sitoutuneiden kvarkkien säkkejä. Yhtä lailla ylöspäin: Linnunrata koostuu pienistä yksiköistä, aurinkokunnista ja kaasupilvistä, galaksit muodostavat ryppäitä, jotka ovat sitoutuneet superryppäiksi jopa miljardin valovuoden pituuteen, eikä Aurinkokunnan tapahtumilla ole niiden mittakaavassa sen vertaa merkitystä kuin yhdellä molekyylillä ihmiselle. Kosmologisten rakenteiden mittakaavoja voi tutkailla Millennium-simulaatiosta (paremman resoluution versioita löytyy täältä).
Näiden tasojen luetteleminen muistuttaa mittakaavojen äärimmäisyydestä, mikä saattaakin olla ensimmäinen ajatus hiukkasfysiikan ja kosmologian tilaa miettiessä. Atomin koko suhteessa ihmiseen on sama kuin ihmisen koko suhteessa Aurinkoon, tai kirpun koko suhteessa Maahan. Atomiytimen koko suhteessa atomiin taas on sama kuin ihmisen koko suhteessa pölyhiukkaseen. Pienin luodattu pituusskaala, jota LHC nuohoaa 40 miljoonaa kertaa sekunnissa, on kymmenentuhatta kertaa tätä pienempi.
Suunnattaessa katse ulos avaruuteen mittakaavaerot ovat vielä isompia. Ihmisen koko suhteessa Aurinkokuntaan on kuin atomin koko suhteessa vuoreen. Suhteessa Linnunrataan Aurinkokunta on kuitenkin vain pölyhiukkanen vuoressa. Tällaisia eroja on vaikea käsittää.
Kun siirrytään tähtitieteen mitoista kosmologiaan, suhteista tulee helpommin hahmotettavia. Koska kosmologiassa ollaan kiinnostuneita maailmankaikkeudesta kokonaisuutena, ei sen sisältämistä kappaleista, on galaksien koko pienin kiinnostava pituus. Galaksien sisällä on nimittäin tapahtunut niin suuri myllerrys, että on vaikea saada selkoa siitä, millainen aineen jakauma oli ennen galaksin muodostumista. Siinä, miten galaksit ovat jakautuneet avaruuteen näkyy sen sijaan vieläkin muinaisten aikojen kvanttivärähtelyjen jalanjälki.
Galaksien välinen tyypillinen etäisyys on noin 10-100 kertaa niiden halkaisijaa isompi. Jos galakseja ajattelee taloiksi ja tiluksiksi, joiden koko vaihtelee kymmenestä sataan metriin, niin ne olisivat noin kilometrin päässä toisistaan. Näkemämme osa maailmankaikkeudesta, joka on horisonttimme sisällä, on noin 10 000 kertaa galaksien välisen etäisyyden suuruinen. Eli jos talot on siroteltu kilometrin päähän toisistaan, niin näkyvä maailmankaikkeus olisi Maapallon kokoinen.
Tällä tapaa ilmaistuna kosmologian mittakaavat eivät tunnu kummoisilta. Tämä havainnollistaa sitä, että käsitteet ’iso’ ja ’pieni’ ovat merkityksellisiä vain jos kerrotaan, mikä on vertailukohta. Koko on itse asiassa aina suhteellista: kun sanomme, että vuoteen pituus kaksi metriä, tarkoitamme, että se on kaksi kertaa niin pitkä kuin sellainen asia, jonka on sovittu olevan metrin pituinen. (Aiemmin metri olikin määritelty mallikappaleen avulla, nykyään se perustuu valon nopeuteen.) Sama pätee kaikkiin yksiköihin: jos pituudet ja ajanjaksot kaksinkertaistetaan ja energiat puolitetaan, niin mikään ei muutu. Ainoastaan yksiköttömillä suhteilla on merkitystä.
Kuten käsityksemme luonnonlaeista, myös se, miten hahmotamme mittakaavoja on sidottu arjessa esiintyviin pituuksiin, lukuihin ja suhteisiin. Esimerkiksi 70 puuta tuntuu olevan paljon enemmän kuin 7 puuta, mutta ero 70 000 ja 7 000 puun välillä näyttää pienemmältä, vaikka erotus on isompi ja suhde sama. Lukujen kasvaessa niiden väli tuntuu lyhenevän. Evoluution kannalta tämä on ymmärrettävää: on tärkeää hahmottaa ero kolmen ja kolmenkymmenen hyeenan välillä, mutta on yksi lysti onko niitä satoja vai tuhansia, ja sen selvittäminen on varmaankin myös laskennallisesti vaativampi tehtävä aivoille. Käsitys suhteista kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa tiivistyy samalla tavalla mentäessä isoihin tai pieniin mittakaavoihin: samansuuruiset suhteet tuntuvat yhä pienemmiltä.
Kosmologian tilakäsitys ei ole erityinen siksi, että mittakaava olisi iso, vaan siksi, että se kehittyy ajassa. Maailmankaikkeus laajenee ja sen rakenteet kasvavat, eikä ole pysyvää paikan tai ajan mittatikkua. Muuttumaton nopeuden mitta sen sijaan on: valonnopeus, c = 300 000 km/s, joka nivoo ajan ja paikan yhteen.
Jos valitaan ajan ja paikan yksiköt siten, että c = 1, eli 1 s = 300 000 km, niin molempia voi mitata metreissä (tai sekunneissa, oman maun mukaan). Voidaan myös mitata ei vain suuntia ajassa ja avaruudessa erikseen, vaan myös etäisyyksiä yli sellaisten välien, joissa alku- ja loppupisteellä sekä aika että paikka ovat erilaiset. Esimerkiksi voi mitata, mikä on etäisyys siitä, kun tulee aamulla työhuoneelle siihen, kun palaa illalla kotiin. Käsitys erillisistä ajasta ja avaruudesta muuttui suppean suhteellisuusteorian myötä ymmärrykseksi aika-avaruudesta, joka puhkesi täyteen kukkaan sata vuotta sitten yleisessä suhteellisuusteoriassa. Käsitys tilasta ja muodoista laajenee suhteellisuusteorian myötä kolmiulotteisesta avaruudesta neliulotteiseen aika-avaruuteen.
Yksinkertainen sovellus ajan ja paikan vertaamisesta toisiinsa on valovuosien ja vuosien samaistaminen. Aurinkokunnan koko on noin 10 valotuntia, Linnunradan 100 000 valovuotta ja näkyvän maailmankaikkeuden 100 miljardia valovuotta. Kymmenessä tunnissa Aurinkokunta ei juuri ehdi muuttua. Linnunradan kiertoaika on 200 miljoonan vuoden luokkaa, eli se kiertyy vain tuhannesosan verran sinä aikana, kun valo kulkee sen läpi. Koska informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, näitä lukuja vertaamalla voi lukea, että Aurinkokunnan ja Linnunradan osat pysyvät tiiviissä yhteydessä: kun massajakauma jossain muuttuu, niin tieto siitä kantautuu pikaisesti muualle.
Maailmankaikkeus on noin 14 miljardin vuoden ikäinen, eivätkä kaikki näkemämme alueet ole ehtineet olla lainkaan yhteydessä. Aikaskaala sille, että maailmankaikkeudessa kokonaisuutena tapahtuu merkittäviä muutoksia on aina suunnilleen maailmankaikkeuden ikä, nykyään siis kymmenen miljardin vuoden luokkaa. Maailmankaikkeus muuttuu hitaasti, eivätkä eri osat liiku yhdessä. Isomman mittakaavan tapahtumat ovat enemmän erillään toisistaan kuin pienen, suurissa liikkeissä on väistämätön hitaus.
Tapahtumat myös hidastuvat maailmankaikkeuden vanhetessa. Mikrosekunnin aikaan neutroneiden ja protonien muodostuminen kesti joitakin mikrosekunteja, minuuttien iässä ydinten muodostuminen kesti minuutteja, nykyään rakenteiden kehitystä mitataan miljardeissa vuosissa.
Rakenteita ja tapahtumia kuvaava pituusskaalakin kasvaa ajan myötä. Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden aine oli tasaista puuroa: kaikki paikat olivat jokseenkin samanlaisia. Maailmankaikkeuden laajentuessa aineen tiheys laskee, ja muodostuu monimutkaisia rakenteita, kuten galakseja, tähtiä, planeettoja ja ihmisiä. Kehitystä havainnollistaa tämä simulaatio (paremman resoluution versio löytyy täältä). Rakenteet muodostuvat hierarkisesti, pienestä isoon, samalla kun kosketuksissa olevan alueen, horisontin, koko kasvaa. Käsitys tilasta muuttuu, maailmankaikkeudesta tulee iän myötä monimutkaisempi.
Yksi kommentti “Tila kosmologiassa”