Kosmologiaa selkokielellä

Kari Enqvist

Ensimmäinen sekunti – silminnäkijän kertomus

WSOY 2014

ISBN 978-951-0-40730-1

Nidottu 221 sivua.

Maallikot mieltävät kosmologian osaksi tähtitiedettä. Aivan tarkkaan ottaen se ei kuulu tähtitieteen piiriin vaan on oma tieteenlajinsa, nimeltään kosmologia. Kosmologit tutkivat maailmankaikkeuden syntyä ja erityisesti sen varhaista rakennetta. Työssään tutkija tarvitsee tietoja tähtitieteen lisäksi fysiikasta ja erityisesti alkeishiukkasfysiikasta. Niinpä ei olekaan kovin suuri ihme, että suomalainen kosmologian tutkija Kari Enqvist on peruskoulutukseltaan fyysikko.

Kosmologian tutkijana Kari Enqvist on tullut tunnetuksi maailmalla paremmin kuin kotimaassaan, mutta tieteen popularisoijana hän on jo vanha tekijä. Häneltä on ilmestynyt suomeksi ainakin yksitoista kirjaa, vaikka pari näistä käsittelee enemmän filosofiaa ja uskontoa kuin fysiikkaa ja kosmologiaa.  Näiden lisäksi Enqvist on esiintynyt monissa tv-ohjelmissa ja tunnetaanpa hänet myös mielenkiintoisten esitelmien pitäjänä.

Enqvistiä on muistettu monilla palkinnoilla niin tutkijana, popularisoijana ja tieteellisen maailmankuvan puolustajana ja edistäjänä. Tunnetuin hänen saamista palkinnoista lienee Tieto-Finlandia kirjasta Olemisen porteilla vuonna 1999.

Itse kirja Ensimmäinen sekunti paneutuu selvittämään mitä tapahtui maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana. Ihmisen aikakäsityksen mukaan sekunti on lyhyt aikajana, jonka kuluessa ei ehdi kovinkaan montaa asiaa tapahtua. Tämä käsitys ei kuitenkaan vastaa sitä, mitä kosmoksessa tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Hieman ja vain hieman kärjistetysti voisi sanoa, että kaikki tärkeä mitä maailmankaikkeudessa on ylipäättään tapahtunut, tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Kosmologisessa mittakaavassa ensimmäisen sekunti olikin aionin mittainen, jonka kuluessa maailmankaikkeudesta tuli se mikä se on nykyisin.

Maailmankaikkeuden alku on siis tuntemattoman prosessin, syyn ja sen seurauksen aikaansaama singulariteetti, joka laajeni valonnopeudella. Kun aikaa oli kulunut singulariteetin ilmaantumisesta meidän aikakäsityksen mukaan 10^-43 sekuntia (Planckin aika) käynnistyy varsinainen alkuräjähdys (Big Bang). Ajan hetkeen 10^-35 sekuntia (Hubblen aika) mennessä gravitaatio on erkaantunut perusvuorovaikutuksista samoin kuin vahva vuorovaikutus erkaantuu sähköheikosta vuorovaikutuksesta.

Maailmankaikkeuden ensimmäinen inflaatiovaihe käynnistyy ajanhetkellä 10^-35 s. Inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni valoa nopeammin, lämpötila laski absoluuttiseen nollapisteeseen ja materia oli kvarkki-gluoniplasmaa. Inflaatio päättyi ajanhetkellä 10^-32 sekuntia, eli se kesti tuhatkertaisesti iän, jonka maailmankaikkeus ehti olla olemassa ennen inflaation käynnistymistä.  Tämä varmasti havainnollistaa edellä kerrottua, jonka mukaan ensimmäinen sekunti oli kosmisessa mittakaavassa aionin mittainen. Inflaation päätyttyä maailmankaikkeuden koko oli kasvanut noin 10²⁸-kertaiseksi inflaatiokauden alkuun verrattuna ja ihmisen mittakaavassa koko kosmos oli noin 1 metrin halkaisijaltaan.

Inflaation jälkeinen maailmankaikkeus koki vielä kaksi erityistä ja tärkeää eepokkia ennen ensimmäisen sekunnin päättymistä. Ensimmäinen näistä oli ajanjaksolla 10^-12 – 10^-6 sekuntia ja tätä kautta kutsumme kvarkkieepokiksi. Toinen eepokki on hadronieepokki ja se vallitsi 10^-6–1 sekunnin aikavälillä. Kvarkkieepokin aikana sähkömagnetismi ja heikkovuorovaikutus erkanivat toisistaan ja hadronieepokin aikana kvarkeista syntyi protonit ja neutronit.

Kirja ensimmäinen sekunti käsittelee inflaatiota, kuumaa alkuräjähdystä, Higgsin hiukkasia ja aineen syntyä, kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, maailmankaikkeuden laajenemista ja kosmista horisonttia. Kirjan 221 sivuun on Enqvist saanut ahdettua paljon asioita ja niitä kuvaavia analogioita (vertauskuvia). Näitä vertauskuvia oli runsaasti ja ehkä ne ovat ymmärtämistä helpottavia asioita, mutta itse koin ne paikka paikoin häiritsevinä. Analogiat katkaisivat joissakin kohtaa aika pahasti ajatuksen kulun.  Tähän voisinkin hakea analogian kiireisestä maisemakonttorista, jossa työhön keskittymistä häiritsee konttorin äänet ja työntekijän puhelin. Jokaisen katkon jälkeen kestää jonkin aikaa ennen kuin työhön pääsee syventymään uudelleen.

Ensimmäinen sekunti on erittäin mielenkiintoinen kirja kaikille niille, joita kosmoksen syntyminen kiinnostaa, eikä vain syntyminen vaan myös se mitä Enqvist kertoo multiversumeista. Suosittelen kirjaa lukeville perusteellista syventymistä ja viitseliäisyyttä lukea kirja toiseen kertaan, sillä siinä on useita eri tasoja ja ne kaikki eivät välttämättä avaudu ensimmäisellä lukukerralla. Hyviä lukuhetkiä todella kiehtovan kirjan äärellä. 

Nobel-palkinto Higgsin hiukkasen löytäjille

Peter Higgs.
Kuva Wikimedia Commons.

Tämän vuoden Nobel-palkinto on myönnetty brittiläiselle emeritusprofessori Peter Higgs’ille (s. 1929) (Edinburghin yliopisto) ja belgialaiselle emeritusprofessori Francois Englert’ille (s. 1932) (Brysselin vapaa yliopisto) aineen massan aiheuttavan Higgsin kentän teoreettisesta tutkimisesta ja ”löytämisestä” vuonna 1964. 

Kahdestaan nämä herrat eivät työtä tehneet, sillä mukana oli koko joukko muitakin tutkijoita: Englertin tutkijaparina oli Robert Broutin ja kolmantena tutkimusryhmänä olivat Gerald Guralniki, Carl Rirchaerd Hagenin ja Tom Kibblen. Peter Higgs teoreettisena fyysikkona työskenteli yksin.

Teoria tunnetaan Higgsin teoriana ja se täydentää standardimallin hiukkasteoriaa. Standardimalli ei selitä aineen massan olemassa oloa. Higgsin ja Englertin teoriat kuitenkin selittävät, sillä niiden mukaan aineen massan aiheuttaa hiukkasten vuorovaikutus kaikkeuden täyttävän Higgsin kentän kanssa; massiivisten hiukkasten vuorovaikutus on voimakasta ja keveiden hiukkasten lähes olematonta.

Tässä vaiheessa joku saattaa kysyä, että mikä se Higgsin bosoni sitten on jos massa

Francois Englert. 
Kuva Wikimedia Commons.

aiheutuu Higgsin kentästä? Higgsin hiukkanen tai tarkemmin bosoni (H0) on Higgsin kentän ja massallisten hiukkasten välillä tapahtuvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen eli mittabosoni. Muita tunnettuja bosoneita ovat gluoni (vahva vuorovaikutus), W- ja Z-bosonit (heikko vuorovaikutus) ja fotoni (sähkömagneettinen vuorovaikutus).

Higgsin hiukkasen löytyminen viimevuonna (4.7.2012) CERNin Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen ATLAS- ja CMS-hiukkasilmaisimilla oli ratkaiseva askel niin itse Higgsin hiukkasen ja etenkin siihen liittyvän Higgsin kentän olemassa tieteellisessä osoittamisessa. Ennen löytöä hiukkasen olemassa oloa oli sekä tuettu mutta myös vastustettu laajoissa tutkijapiireissä, joten aivan päivän selvää niin teorian vahvistuminen kuin hiukkasen löytyminen ei ollut.

Higgsin kenttä on ominaisuuksiltaan poikkeava muihin kenttiin (esimerkiksi sähkökenttään) nähden. Ilmiö tunnetaan Higgsin mekanismina. Kentät asettuvat energiatilaltaan alhaisimpaan tilaan ns. fysikaalisessa vakuumissa^[1]. Näin esimerkiksi sähkökentän energiatila on nolla. Higgsin kentän vakuumitila poikkeaa kuitenkin nollasta (vaikka onkin energiatilaltaan matalin), joten kenttä ei häviä koskaan.

Higgsin hiukkanen saadaan realliseksi hiukkaseksi vain hyvin suurienergisissä törmäyksissä, sillä sen massa (=energia) peräti 125–127 GeV/c². Viime maaliskuun 14.päivänä Cernissä pidettiin lehdistötilaisuus, jossa tutkimustulokset virallisesti julkaistiin. Toki löytö oli odotettu ja toivottu ja erilaisia huhuja ennen tiedotustilaisuutta liikkui tutkijapiireissä. Löytöä oli liian vaikea pitää salassa kovinkaan pitkää aikaa.

Huomautus

[1] Vakuumi on tila, jossa ei ole sen paremmin alkeishiukkasia(=massaa), mittabosoneita, sähkövarauksia ja siinä olevien kenttien energiatilat ovat arvoltaan mahdollisimman alhaisia (=nolla). Tällaista olotilaa ei käytännössä pystytä valmistamaan mutta teoreettisesti sellainen voisi kyllä esiintyä spontaanisti, jolloin se laajenisi valonnopeudella. 

Vakuumin spontaani ilmaantuminen on ehkä mahdollista vasta hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden ikuisena jatkuvan laajenemisen saavutettua tietty tila, ehkä noin 10¹⁰⁰ vuoden kuluttua. Tässä ollaan kuitenkin hyvin pitkälti spekulaatioiden varassa. Vakuumi ja siihen liittyvä väärä vakuumi sisältyvät kvanttikenttäteoriaan.

Kiista Higgsin bosonin nimestä

LHC-kokeen simuloitu kuva kahden
protonisuihkun törmäyksestä,
jonka tuloksen syntyi Higgsin
hiukkanen. Kuva Wikimedia Common.

Joukko hiukkastutkijoita kokoontui maaliskuussa pohtimaan Higgsin bosonina tunnetun hiukkasen löytymistä CERNin LHC-kokeessa viime vuonna. Löytö on julistettu alustavasti oikeaksi 14. maaliskuuta 2013. Hiukkasen olemassa olo vahvistaa myös Higgsin kentän olemassa olon, johon puolestaan käytössä oleva ”Standardi malli” perustuu. Higsin kenttä selittää aineen massan.

Konferenssiin osallistui myös professori Peter Higgs. Professori Carl Hagen (Rochester University, New York) pitää hiukkasen nyt käytössä olevaa nimeä vääränä. Perusteena hiukkasen uudelleen nimeämiseen hän pitää sitä, että muutkin tutkijat kuin Peter Higgs ovat päätyneet riippumattomasti samanlaiseen lopputulokseen hiukkasen olemassa olosta.

Peter Higgs julkaisi teorian nyttemmin nimeään kantavan bosonin olemassa olosta jo vuonna 1964. Samoihin aikoihin myös tutkijat Francois Englert, Gerald Guralnik, Tom Kibble, Robert Brout ja Carl Hagen julkaisivat perustavaa laatua olevia tutkimustuloksia samasta teemasta. Näitä tutkijoita nyppii se, että vain Higgsiä pidetään teorian luojana, vaikka kunnia siitä pitäisi jakaa kaikkien aiheen parissa työskennelleiden kesken.

Nimikiistaan vaikuttaa myös se, että jossakin vaiheessa Higgsin bosonin löytymisestä jaetaan Nobel-palkinto. Nobel-säätiön sääntöjen mukaan palkinto voidaan jakaa enintään kolmen tutkijan kesken ja näiden tutkijoiden tulee olla elossa.  Tutkijoita on kuitenkin enemmän kuin kolme ja he kaikki ovat jo iäkkäitä, professori Brout on jo kuollut vuonna 2011.

Higsin hiukkasen uudeksi nimeksi voisi muodostaa tutkijoiden nimistä koottu BEHGHK, joka äännettaisiin ”Berk”. Tällainen nimeäminen olisi kuitenkin hyvin kömpelöä ja se tuskin tulee saamaan kovinkaan laajaa kannatusta. Carl Hagenin mielestä hiukkasta voitaisiin kutsua nimellä ”Standard Model Scalar Meson”, lyhyemmin ”SM Squared”.

Peter Higgs suhtautuu myönteisesti uudelleen nimeämiseen mutta ehdottaa nimeä ”H-bosoni”. Higgsin ehdotus on varteenotettava, sillä bosoneilla on etuudestaan vastaavia nimiä kuten heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset W- ja Z-bosonit.