Maailmankaikkeuden muoto on kiinnostanut sekä maallikkoja että asiaan vakavammin perehtyneitä ajattelijoita varhaisista ajoista lähtien. Ensimmäiset kosmologiaksi luonnehdittavat maailmanselitykset syntyivät antiikin aikana, mutta varsinaisen modernin kosmologian katsotaan alkaneen vasta 1900-luvun alussa.

Käsitys maailmankaikkeudesta on kasvanut vuosikymmenestä toiseen ja muovautunut viime vuosina laajaksi yhtenäiseksi opiksi kosmoksen rakenteesta. Tähtitieteen professori emeritus Esko Valtaoja tarkastelee tätä kehitystä paikoin humoristisesti, paikoin kevyen asiallisesti uudessa teoksessaan Maailmankaikkeudesta.

Teos ei ole tieteellinen tutkimus eikä pyri selittämään maailmankaikkeuden kaikkia ilmiöitä tarkasti. Sen ansiot ovat muualla. Se tarjoaa yksityiskohdiltaan perustellun yleiskuvan maailmankaikkeuden peruskysymyksistä alkaen ajan, aineen ja avaruuden luonteesta edeten erilaisten menetelmällisten kysymysten kautta alan viimeisiin tuloksiin saakka.

Teoksessa on kahdeksan lukua, joista ensimmäinen johdattaa aiheeseen. Se käsittelee myös havaintolaitteiden ja alan keskeisten käsitteiden ajallista kehitystä. Kaukoputki kosmoksen havainnoinnin merkittävänä välineenä kehittyi varhaisen uuden ajan jälkeen melko nopeasti. Mount Wilsonin observatorion laitteiston ja Edwin Hubblen mukaan nimetyn avaruusteleskoopin myötä se saavutti kehitystason, jossa voitiin hahmottaa saarimaailmankaikkeuden perustava rakenne. Samalla pimeän aineen ja energian kaltaiset ongelmat alkoivat vähitellen hahmottua tutkijoille.

Viime aikoina keskeiseksi ovat nousseet myös Euroopan avaruusjärjestön ESAn Planck-tutkimusaseman tekemät havainnot. Aseman tekemät mittaukset kosmisesta taustasäteilystä eli alkuräjähdyksen jälkihehkusta julkaistiin huhtikuussa 2013. Päivä oli merkittävä tieteelle, mutta samalla jonkinlainen pettymys ainakin osalle kosmologeista. Vaikutti siltä, että yksinkertainen maailmankaikkeuden malli, joka perustui kuuteen parametriin, selitti kaikki aseman tekemät havainnot täydellisesti.

Asia on merkittävä modernin kosmologian virstanpylväs, mutta itse parametreja olisi voinut selostaa hieman tarkemmin teoksen alussa. Teorian keskeiset parametrit ovat kosmologinen vakio (Λ), joka edustaa pimeää energiaa, ja kylmä pimeä aine (CDM), joka yhdessä kosmologisen vakion kanssa selittää kosmoksen suuren mittakaavan rakenteet, kosmisen taustasäteilyn ja kosmoksen kiihtyvän laajenemisen.

Asia on esillä ensimmäisessä luvussa, mutta Valtaoja palaa aiheeseen ja itse parametrien sisältöön hieman tarkemmin vasta teoksensa lopulla esittäessään Fridmanin tutkimustuloksia. ΛCDM-malli on päivänselvä tekijälle itselleen, mutta lukijan voi olla vaikea hahmottaa teoksen alun ja lopun välistä asiayhteyttä. Tästä huolimatta teos etenee suhteellisen johdonmukaisesti ja kokonaiskertomusta on pääosin helppo seurata.

Alun johdattelun jälkeen seuraavassa luvussa tekijä käsittelee maailmankaikkeuden rakenteita erilaisten mallien avulla. Tarjolla on eräänlaisia askartelutehtäviä, joiden avulla euklidisen avaruuden isotrooppiset ja homogeeniset yksityiskohdat käyvät selviksi. Mallit ovat paikoin yksinkertaisia mutta havainnollisia. Avaruuden voi hyvin täyttää vaikka vaaleanpunaisilla Lenin-patsailla, kuten Valtaoja tekee. Tärkeintä tässä on asioiden ymmärrettävyys, ei niinkään tarkat mittatulokset.

Seuraavat kaksi lukua käsittelevät aikaa neljäntenä ulottuvuutena, minkä lisäksi avaruuden kolmiulotteisuus tuottaa uudenlaisia ongelmia kokonaisuuden hallinnan suhteen. Tähän mennessä kaikki on ollut helppoa, mutta nyt mukaan tulevat käsitykset epäeuklidisen avaruuden kaareutumisesta ja äärettömyydestä. Ajan luonteen määrittely tuottaa erityisen ongelmallisen kysymyksen varsinkin neljännessä luvussa.

Modernin kosmologian kehityksen suhteen aikaa käsittelevä luku on keskeinen, sillä se sisältää perusteellisen selostuksen Albert Einsteinin kyvystä yhdistää opettajansa Hermann Minkowskin avulla aika ja avaruus neliulotteiseksi kokonaisuudeksi. Näin ymmärretyssä avaruudessa kaikki tapahtuu samalla tavalla nopeudesta riippumatta ja luonnonlait ovat samat kaikille.

Käsitys johtaa kosmologian keskeiseen ongelmaan eli siihen, onko maailmankaikkeus pysyvä vai laajeneva – onko se ollut aina olemassa vai syntynyt jonkinlaisesta alkuräjähdyksestä.

Viidennessä luvussa esitetään niin sanottu kosmologian standardimalli. Luku etsii maailmankaikkeudelle soveliasta teoriaa täydellisen kaaoksen ja täydellisen järjestyksen väliltä.

Lähtökohtana on gravitaatiovoiman kyky hallita kaikkia maailmankaikkeuden kappaleita tasaisesti. Heikon ja vahvan vuorovaikutuksen asema kokonaisuudessa on vähäinen siksi, että ne operoivat ainoastaan kvarkkien ja atomien mittakaavassa. Samalla tavalla Maxwellin löytämä sähkömagneettinen voima ei ratkaise ongelmaa, sillä se on parisuhderiippuvainen ja heteronormatiivinen. Samanmerkkiset sähkövaraukset eivät liity normaalioloissa toisiinsa hallitakseen ympäristöään.

Ongelman voi ratkaista ainoastaan Einstein ja hänen yleinen suhteellisuusteoriansa. Opin mukaan kiihtyvässä putoavassa liikkeessä oleva kappale kumoaa maan vetovoiman ja gravitaatiokenttä katoaa siitä syystä, että painovoima ja kiihtyvä liike ovat yhtä ja samaa. Tämä nerokas oivallus ei ollut tullut aikaisemmin kenenkään muun mieleen. Einsteinin tensori kuvaa aika-avaruuden muotoa ja energia-impulssitensori aineen ja energian jakautumista kyseisessä aika-avaruudessa.

Teoksen ehkä tärkeimmän osion muodostaa kuudes luku, jossa Valtaoja siirtyy käsittelemään Alexander Fridmanin käsityksiä maailmankaikkeuden rakenteesta. Työn ainoat hieman vaikeammat matemaattiset kaavat sisältyvät tähän osioon.

Fridmanin yhtälöt kertovat, miten maailmankaikkeus kaareutuu ja miten sen koko muuttuu ajan kuluessa. Keskeisellä sijalla on vakiotermi lambda (Λ), jonka arvo suurelta osin määrää avaruuden laajenemisen luonteen. Jos arvo on negatiivinen, maailmankaikkeus laajenee hetken hidastuvalla nopeudella ja painuu lopulta kasaan. Positiivinen arvo aiheuttaa puolestaan avaruuden laajenemisen kiihtyvällä nopeudella.

Teoksen kaksi viimeistä lukua käsittelevät maailmankaikkeuden alun ja lopun ongelmia. Nämä muodostavat modernin kosmologian yhden keskeisen osa-alueen. Ensin mainitun suhteen on syytä huomata Fridmanin ja George Gamowin kosmoksen alun määrittelemiseksi tekemä työ ja lisäksi monien nykyisten tutkijoiden löydökset tyhjiöenergiasta ja inflaatiosta. Tutkijat ovat suhteellisen yksimielisiä kosmoksen kolmen ensimmäisen sekunnin tapahtumista.

Maailmankaikkeuden lopun suhteen yksimielisyys ei sen sijaan ole yhtä näkyvää. Fridmanin teoriat (ja FLRW-metriikka) tarjoavat yhden ratkaisun asian selvittämiseksi, mutta siinä ei ole kaikki. Asiaa voidaan tarkastella kvanttimekaniikan ja erilaisten säieteorioiden näkökulmasta, ja tällöin loppu näyttää jokseenkin toisenlaiselta.

Keskeisen kysymyksen muodostaa maailmankaikkeuden ainutlaatuisuus. Loppu voi olla syklinen, jolloin lopun luhistuminen käynnistää aina uuden alkupompun ja synnyttää uuden maailmankaikkeuden. Toinen kannatusta saanut teoria on ikuinen laajeneminen, mutta suhteellisen moni kosmologi kannattaa myös pysyvän staattisen maailmankaikkeuden mallia.

Maailmankaikkeudesta on pienistä rakenteellisista puutteistaan huolimatta hyvin laadittu teos. Varsinaisia käsitteellisiä ongelmia ei ole, mutta teoksessa esiintyy muutamia hieman häiritseviä puheenomaisia ilmauksia kuten tekijän tapa kutsua sivulla 83 yleistä suhteellisuusteoriaa nimellä ”yleinen suhtis”. Sivulla 34 kerrotaan Einsteinin yrityksistä kehitellä muuttumatonta kosmosta ”pienellä matemaattisella tempulla”, mutta jätetään itse temppu eli Einsteinin yritys kehitellä kosmologista vakiota mainitsematta. Asiaa olisi ollut syytä valaista hieman tarkemmin, sillä se liittyy nykyisen kosmologisen vakion kehityksen ongelmiin.

Maailmankaikkeudesta on hyvä yleisesitys tärkeästä ja kiinnostavasta aiheesta. Työn sivumäärä on 149, mutta on mahtunut mukaan yllättävän paljon. Lisäksi teos osoittaa – Einsteinin kuuluisaa muotoilua mukaillen – maailmankaikkeuden käsittämättömimmän asian olevan se, että se on ylipäätään käsitettävissä.

•  

Lue myös:  

Arkhimedeen teokset tarjoavat näkymän helleenisen kauden geometriaan

Ilmastonmuutos ei ole rakettitiedettä

Musta voi olla valkoista – Italialaisfyysikko esittelee teoriansa valkoisista aukoista