Hikiopisto:Elämä, Maailmankaikkeus ja Kaikki, eli Miten Universumi Toimii

Toivottavasti nautit hikikurssistamme. Hikiopiston etusivulta voit etsiä lisää kursseja. Myös Hikiopisto-luokka on pullollaan tuikihyödyllistä oppimismateriaalia.

Ihan näin aluksi: Jos tulit tänne siinä toivossa, että selitän sinulle yksinkertaisia analogioita ja PowerPoint-esityksiä hyödyntäen tyhjentävästi, miten tämä universumi toimii, luovuta heti nyt ja poistu luentosalista. Universumilla on kaksi pääasiallista ominaisuutta: Se on aivan vitun iso ja aivan vitun monimutkainen. Itseasiassa se on niin monimutkainen, että koko ihmisrodun historian ajan jatkunut tutkimus - useita tuhansia vuosia kokemusta - ei riitä selittämään universumia mitenkään perustavanlaatuisella tavalla. Kaikki mitä meille on jäänyt käteen yrityksistämme tunkea isoa päätämme vielä isompaan avaruuteen, on kasa ristiriitaisia ja toinen toistaan käsittämättömämpiä teorioita, joista jokainen on jossakin kohtaa puuttellinen.

Jos haluat vielä tämänkin kuultuasi jäädä saliin, jää pois. Sinun kaltaisesi ihminen luultavasti nauttii kuunnella, kuinka kaikkein pienimmästäkin alkeishiukkasesta on väännetty teoreettista kättä viimeiset sata vuotta.

Universumin alku

Koska jostain pitää tässä universumiksi kutsumassamme sotkukasassakin aloittaa, aloitetaan sitten ihan alusta. Tämä ei kuitenkaan ole niin yksinkertainen aloitus kuin mitä voisi luulla: Emme vieläkään, piru vieköön, tiedä mistä universumi alkoi tai mitä alkuhetkellä täsmälleen tapahtui! Tiede loikkaa junaan mukaan vasta muutaman sekunnin murto-osan alun jälkeen - ja alusta puhuttaessa ne ovat erittäin pitkät muutamat sekunnin murto-osat. Tähän asti parhaat teoriat siitä, miten universumi tarkalleen ottaen alkoi ovat teoriat "Jumala teki sen" ja "Kaksi puolen universumin kokoista poraa törmäsi edellisessä universumissa", eikä niitä pidetä erityisen tietellisinä.

Sanottakoon kuitenkin nyt, että universumi alkoi äärettömän pienestä ja kuumasta pisteestä, jota sanotaan alkuräjähdykseksi. Nyt puhutaan nimen omaan äärettömästä. Ääretön on ongelma. Fysiikka nimittäin pohajutuu hyvin pitkälle matematiikkaan. Matematiikka taas kohtaa huomattavia ongelmia, kun laskelmiin ilmestyy äärettömyyksiä. Lukion pitkän matematiikan läpikäyneet tietävät mistä puhutaan. Otetaanpa esimerkki - yksi jaettuna äärettömällä on nolla. Tarpeeksi yksinkertaista? Entäpä tämä: Ääretön plus kolme on ääretön. Saatta aiheuttaa ongelmia joillekin, mutta tämänkin pitäisi olla tajuttavissa. Kerropa sitten, mitä on ääretön miinus ääretön?

Se ei ole nolla. Itseasiassa se ei ole mitään - sanan kirjaimellisessa merkityksessä. "Ääretön miinus ääretön" on matemaatikoille sitä, mitä ehkäisy on katoliselle kirkolle tai skientologia on internetille - äärimmäinen hirvitys, perimmäinen pelko, hirviö aritmetiikaksi kutsutun sängyn alla. Äärettömyyden ongelma syntyy tästä - sillä ei ole helppo laskea; itse asiassa se useissa tapauksissa rikkoo laskelmat täysin.

Päästäksemme eteenpäin, sanomme sitten, että - tieteelle toistaiseksi tuntemattomasta syystä - tuo edellä mainittu äärettömän pieni, äärettömän tiheä ja äärettömän kuuma piste lähti laajenemaan. Aluksi (ihmisille käsittämättömän lyhyen sekunnin murto-osan ajan) laajeneminen oli melko tasaista, verraten hidasta - mutta sitten tapahtui niin, että aleneva fysiikan lakien vastaisuuden taso pakotti sähköheikon voiman erottumaan omakseen vahvasta voimasta, mikä taas rikkoi erään erittäin keskeisen symmetrian. Symmetriarikosta seurasi se, että yhtäkkiä universumi alkoikin laajeta räjähdysmäisellä - todella räjähdysmäisellä - nopeudella. Tätä äkillistä laajentumista kutsutaan inflaatioksi, eikä sillä ole mitään tekemistä taloudellisen inflaation kanssa. Tämän räjähdysmäisen kasvun ansiosta universumin on juuri nyt sellainen kuin se on - enimmäkseen tyhjää täynnä ja aivan massiivisen tylsä.

Näin mainitakseni - alussa universumin oli täynnä kaikkea muuta kuin tyhjää. Universumi oli niin sanottua hiukkassoppaa (ei syötäväksi kelpaavaa), jossa erilaiset eksoottiset alkeishiukkaset leikkivät hippaa, piilosta ja kirkonrottaa. Sitä mukaa kuin tämän hiukkassopan lämpötila aleni ja hiukkaset tulivat vanhemmiksi, ne asettuivat pikku hiljaa aloilleen ja perustivat perheitä; kvarkit sitoivat liittonsa vahvan voiman sitein ja muodostivat kolmen ryhmiä, jotka tultaisiin tuntemaan paljon myöhemmin protoneina ja neutroneina. Ajattele sitä niin, että kvarkeilla on kolme sukupuolta (tieteessä niitä kutsutaan väreiksi - punainen, sininen ja vihreä - ja sanotaan, että yhdistelmän tulos on aina oltava valkoinen - siis niinkuin valkoinen valo). Lopulta protonit ja neutronitkin alkoivat muodostaa pareja, kolmen tai jopa neljän ryhmiä. Tästä seraavat vuosituhannet eteenpäin - ei mitään kiinostavaa.

Seruaava kiinnostava tapahtuma tapahtui noin 300000 vuotta alkuräjähyksen jälkeen. Silloin nimittäin pitkään omaa elämäänsä viettäneet elektronit, jotka olivat koko ajan jatkuvasti kiusanneet fotoneita, herkesivät kiusaamisesta ja suostuivat vihdoinkin protoni- ja neutroniperheiden adoptoitaviksi. Fotonit huokasivat helpotuksesta, ja juuri silloin tuli valkeus ja samalla myös pimeys lankesi. Paradoksaalisen kuuloista, mutta anna kun selitän. Aikaisemmin fotonit - valoa kuljettavat hiukkaset - eivät olleet päässeet lentämään minnekään paria millimetriä pitempään, ennen kuin ne jo törmäsivät kaikkialla pyöriviin elektroneihin, kimposivat toisaalle vain törmätäkseen uusiin elektroneihin - ja niin edespäin. Edetäkseen muutaman metrin tässä hiukkassopassa fotoni tarvitsi pari miljoonaa vuotta aikaa ja pirun paljon tuuria. Kun valo pääsi liikkumaan, valkeus tuli vihdoinkin - universumissa pystyi näkemään. Toisaalta tähtiä ei vielä ollut, joten universumi oli pimeä. Ymmärretty?

Ei, aika nyrjäytti niskansa, kun hengaili noiden äärettömyyksien oloissa. Homma lommahti ja palautuu nyt kuin puristuksesta vapautuva kumipallo. Syklinen loppulommahdusteoria selittää kiihtyvän laajenemisnopeuden ja laittaa nipun alun ja äärettömyyden ongelmia päreiksi, joilla puhtaat matemaatikot maailmaansa valaisevat.

Alla rakentamisen! Tämä artikkeli on harvinaislaatuisen perseestä, koska se on keskeneräinen. Ota rukkaset ja vasara käteen ja rakenna sitä hieman valmiimmaksi.

Luennoitsija

L. A. Jaaritellen, FT, fysiikkaa pitkään opettanut alan rautainen ammattilainen. Pitänyt lukuisia palopuheita useissa maamme suurkaupunkien keskeisissä puistoissa. Pidätetty vain kolmesti. On paljolti vastuussa fysiikan epäpopularisoinnista kommenteillaan sitä kuinka "massiivisen tylsää" se voi olla. Kirjoittanut muun muassa kirjat Universumi - Tyhjää täynnä, Alkeishiukkasia? Minun puutarhassani? ja Lol, painovoima.