Kosmologia on maailmankaikkeuden kokonaisuuden tutkimista. Jo tutkimusaihetta määriteltäessä kohtaa kysymyksen siitä, mitä tällä tarkoitetaan: mitä kaikkea onkaan olemassa? Mieleen tulee kolme mahdollisuutta: maailmankaikkeudessa on äärettömästi asioita, tai olemme loputtoman tyhjyyden ympäröimänä, tai sitten maailmankaikkeus on äärellinen. Kolmas vaihtoehto on otettu vakavasti myöhemmin, pitkään ajatukset keskittyivät kahteen ensimmäiseen.

Klassisen fysiikan kehittäjä Isaac Newton pohti 1600-luvun lopussa ääretöntä maailmankaikkeutta: jos ainetta on äärettömän paljon ja kaikki osaset vetävät toisiaan puoleensa, onko jokaisen kappaleen kokema gravitaatiovoima ääretön? Newton vakuutti itsensä siitä, että ongelmaa ei ole. (Asia liittyi jotenkin kristillisen maailmankuvan ylivertaisuuteen ateismiin verrattuna.) Newton oli kuitenkin väärässä: hänen gravitaatiolakinsa on pulassa, jos ainetta on tasaisesti äärettömiin asti.

Entä jos asumme saarella, keskellä loputonta tyhjyyttä? Tällöin gravitaatiovoimat ovat äärellisiä. Mutta tyhjyyden pohjaton nielu ei ole harmiton sekään. Aina silloin tällöin joku kappale --tähti vaikkapa-- ajautuu reunalle, irtoaa kumppaneistaan ja sinkoutuu pois. Pikkuhiljaa kaikki eksyvät yksi kerrallaan, niin että jonkun ajan kuluttua koko saari on hajonnut yksinäisiksi kappaleiksi ja pareiksi, jotka matkaavat ikuisesti kauemmas muista. Ongelma johdattaa toiseen kosmologian keskeiseen kysymykseen, nimittäin maailmankaikkeuden ikään. Voisi ajatella, että ehkä saarekkemme ei olisi vain vielä ehtinyt hajota, koska maailmankaikkeus on ollut olemassa vain rajallisen ajan.

Newtonin teorian äärellisen ja äärettömän maailmankaikkeuden kysymyksiä vatvottiin 1800-luvulla ja erilaisia mahdollisuuksia keksittiin, mutta lopulta ongelma ratkesi siten, että vuonna 1915 kehitetty yleinen suhteellisuusteoria korvasi Newtonin vuosisatoja vallassa olleet lait.

Yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen kosmologinen sovellus oli Einsteinin vuonna 1917 ehdottama malli, jossa maailmankaikkeus on äärellinen mutta rajaton, kuten pallon pinta. Einstein rakensi maailmansa sille pohjalle, että avaruus on ikuinen ja muuttumaton, klassisen fysiikan maailmankuvan mukaisesti.

Havainnot etenivät nopeasti. Hubble osoitti vuonna 1924, että galaksimme ulkopuolella on muutakin kuin ääretön tyhjyys, ja vuonna 1929 hän todisti maailmankaikkeuden laajenevan, mikä rikkoi varjellun kuvan pysähtyneestä maailmasta.

Yleinen suhteellisuusteoria kertoo siitä, miten aika-avaruus toimii vuorovaikuttaessaan aineen kanssa, ja laajeneminen (tai supistuminen) on sen suoraviivainen ennuste. Einstein ei aluksi nähnyt asiaa näin, ja muokkasi yhtälöitä saadakseen kaipaamansa paikoillaan pysyvän ratkaisun. Kaikki eivät olleet näin suljettuja: Friedmann johti laajenevaa maailmankaikkeutta kuvaavan mallin jo 1922, ja vuoden 1929 havaintojen jälkeen tiedeyhteisö (mukaanlukien Einstein) hyväksyi sen melko yleisesti.

Koska maailmankaikkeus laajenee, se on ollut pienempi varhaisempina aikoina, ja aine on ollut tiheämpää. Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt osoittavat, että äärellisen ajan päässä menneisyydessä saavutaan äärettömään tiheyteen, mistä ei voi enää jatkaa taaksepäin. Tämä on "alkuräjähdys", tapahtuma, jossa aika ja avaruus alkavat. Maailmankaikkeuden laajenemisesta voi siis päätellä, että se ei ole ikuinen: kaikella on syntynsä. (Sanottakoon, että aivan alkuhetkinä suhteellisuusteoria ei varmastikaan päde, ja niiden kuvailuun tarvitaan kvanttigravitaatioteoriaa, jota meillä ei vielä ole.)

Seuraavien vuosikymmien aikana tämä kuva on varmentunut ja tarkentunut monin tavoin. Nykykosmologia on vankasti havaintoihin pohjaava tiede, jonka keskeisiä tutkimuskohteita ovat pimeä aine, pimeä energia, inflaatio ja baryogenesis.

Kosmologian menestys perustuu siihen, että maailmankaikkeus näyttää suunnilleen samanlaiselta kaikkialla, joten jokaista yksityiskohtaa ei tarvitse tuntea kokonaiskuvan saamiseksi. Suhteellisuusteoriassa, toisin kuin Newtonin teoriassa, ei ole ongelmaa, vaikka maailmankaikkeus ulottuisi tasaisesti äärettömiin. Mutta emme vieläkään tiedä onko näin. Koska aika on äärellinen, on valo ehtinyt kulkea vain äärellisen matkan sitten maailman alun, joten näemme vain pienen osan, noin 40 miljardia valovuotta, maailmankaikkeudesta. Varhaista maailmankaikkeutta kuvaavan inflaation perusteella arvellaan, että maailmankaikkeus jatkuu samanlaisena vielä paljon horisonttiamme kauemmas. Mutta kaikkein suurimman mittakaavan rakenteesta meillä ei ole aavistustakaan.

Kommentit (29)

Cargo

Voisiko materia maailmankaikkeudessa olla seuraavanlainen: Piste räjähtää pallon pinnalla ja materian leviämistä kuvaa alati laajeneva ympyrä. Ympyrän laajeneminen pysähtyy hetkeksi, kun sen säde on saavuttanut pallon säteen, ja tämän jälkeen alkaa käänteinen supistuminen kohden alkuperäistä singulariteettipistettä. Kyseessä olisi siis ikuinen harmoninen värähtelijä.

Pekka

"joten näemme vain pienen osan, noin 40 miljardia valovuotta, maailmankaikkeudesta"

Ajatukseni pyrkii aina nyrjähtämään tuon näkyvän 40 miljardin vv:n kanssa. Jos aikaa on kulunut 13,7 mrd vuotta, niin kuinka valokartiomme kattaa 40 mrd vv:n alueen? Voiko asian selittää yksinkertaisesti?

Alan Dorkin

Kerrassaan mielenkiintoinen blogi Syksyltä, jälleen kerran!
Seuraavaan yksityiskohtaan pyytäisin lisäselvitystä. Syksy kirjoittaa lopuksi: "Koska aika on äärellinen, on valo ehtinyt kulkea vain äärellisen matkan sitten maailman alun, joten näemme vain pienen osan, noin 40 miljardia valovuotta, maailmankaikkeudesta."

Yksinkertaiset aivoni kysyvät: Jos Universumin ikä on noin 13,6 miljardia vuotta, eli The Big Bang tapahtui silloin, mistä tulee se informaatio, jolla on ikää 40 miljardia valovuotta?

Pekka

Ajattelen, että havaittava maailmankaikkeus on tosiaankin pallopinta, missä me havaitsijat olemme 2-ulotteisia varjokuvia tämän pallon pinnalla. Kun katsomme minne tahansa, niin näkymä on suurinpiirtein samanlainen joka suuntaan, etäisyydelle noin 45Mrd valovuotta, joten voisiko tästä olettaa että myös se meille näkymätön osa maailmankaikkeutta toistaa samaa rakennetta? Tämä on asia mikä on häirinnyt tosi kauan, koska horisontin taakse ei pääse mitenkään kurkistamaan.
Se, että maailmankaikkeus laajenee, tarkoittaa kuvannollisesti mielestäni sitä että joku "puhaltaa ilmaa" tähän meidän kokemaamme universumiin, jolloin me varjokuvat koemme ihan oikeutetusti olevamme universumissa joka laajenee kiihtyvästi. Onko nk. pimeä energia siis se tekijä mikä puhaltaa palloon lisää tilavuutta?

Alan Dorkin

Anteeksi vain. Hoksasin tuon "Ei vastauksia tähän artikkeliin" vasta sen jälkeen, kun olin lähettänyt edellisen kommentin. A.D.

Syksy Räsänen

Cargo:

Eräs mahdollinen malli maailmankaikkeudelle on tosiaan sellainen, jossa maailmankaikkeus on äärellinen ja laajenee johonkin maksimikokoon asti ja romahtaa sitten takaisin. Yleisen suhteellisuusteorian avulla tilannetta ei kuitenkaan voi jatkaa tuosta romahduspisteestä eteenpäin. Erilaisissa suhteellisuusteorian laajennuksissa on kyllä kehitelty tällaisia syklisiä malleja. Ei ole mitään viitettä siitä, että todellinen maailmankaikkeus käyttäytyisi tällä tavoin.

Syksy Räsänen

Alan Dorkin, Pekka:

Näkyvän maailmankaikkeuden koko on isompi kuin valon nopeus kertaa ikä, koska maailmankaikkeus laajenee fotonien matkatessa eli niiden lähtökohta etääntyy meistä.

Syksy Räsänen

Pekka:

Kuten kirjoitin, inflaation perusteella arvellaan, että maailmankaikkeus jatkuu samanlaisena vielä pitkälle. Mitään suoraa tapaa tarkistaa tätä havainnoilla ei ole. Näkyvä osa maailmankaikkeutta ei ole kolmiulotteinen pallopinta, tämä oli Einsteinin idea 1917, mutta ei vastaa havaintoja.

Maailmankaikkeuden laajeneminen liittyy tosiaan sen ainesisältöön, mutta sellainen ajatus, että jokin työntäisi maailmankaikkeutta laajenemaan, ei pidä paikkaansa. Maailmankaikkeus laajenisi vaikka pimeää energiaa ei olisi.

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

Oletan, että luit kuvauksen senhetkisestä kommenttien määrästä.

Leo

Eräs mahdollisuus kai voisi olla. ns. "maailmankaikkeistuminen", mikä tarkoittaisi sitä, että alkuräjähdyksestä on alkanut ikäänkuin ketjureaktio, joka muuttaa ennen alkuräjähdystä olevia olosuhteita nykyiseksi maailmankaikkeudeksi. Tämä tarkoittaisi sitä, että maailmankaikkeus olisi ikuisesti laajeneva ja pysäyttämätön reaktioketju, mikäli se ei korvaannu jollain toisella vastaavalla tapahtumalla. Näin ollen paine maailmankaikkeuden laajenemiselle tulisi ulkopuolelta, eikä "pimeää energiaa" tarvita?

Syksy Räsänen

Leo:

Tavallisessa kosmologiassa ei ole mielekästä puhua sen enempää ajasta ennen alkuräjähdystä kuin paikasta maailmankaikkeuden ulkopuolella, eikä maailmankaikkeuden laajeneminen edellytä painetta.

Erilaisia malleja, joissa on mielekästä puhua esimerkiksi ajasta ennen alkuräjähdystä on olemassa, mutta nämä pitää muotoilla huolellisesti tavallisen tapauksen ymmärryksen pohjalle.

Vesa

Olin reilu vuosi sitten kuuntelemassa Stephen Hawkingin luentoa maailmankaikkeuden synnystä. Näin maallikkona suurin osa luennon sisällöstä meni reilusti yli hilseen. Pääpointti taisi kuitenkin olla, miten painovoima- kvanttikenttäteorioiden perusteella maailmankaikkeus voi syntyä spontaanisti tyhjästä/"ei mistään". En tiedä liippaako tämä aihe kuinka läheltä tämän merkinnän aihetta, mutta jos Syksy tiedät Hawkingin ajatuksista tarkemmin, pystyisitkö vähän avaamaan tätä aihetta meille maallikoille? Linkki Hawkingin luentoon alla.

http://cdsweb.cern.ch/record/1205587/

Juha

Maallikko täälläkin ihmettelee. Jos maailmankaikkeus on rajallinen (alussa piste) niin minne se laajenee kun ei ole paikkaa minne laajeta. Sana tyhjyys ei asiaa valaise - se on vain sana.

Syksy Räsänen

Vesa:

Hawkingin mainitsemat maailmankaikkeuden kvanttimekaanista syntyä koskevat mallit ovat spekulaatiota. Toistaiseksi ei ole mitään viitettä siitä, että ne kuvaisivat todellisuutta. Mnusta tuollaiset tarkastelut ovat tämänhetkisellä teoreettisen ymmärryksemme tasolla ennanaikaisia.

Syksy Räsänen

Juha:

Rajallinen ja ääretön ovat eri asioita. Esimerkiksi pallon pinnalla ei ole rajaa, mutta se on äärellinen.

On väärin sanoa, että maailmankaikkeus laajenisi johonkin, koska maailmankaikkeus on tosiaan kaikki mitä on olemassa. Malleissa, joissa maailmankaikkeus on äärellinen, kaiken olemassaolevan tilavuus kasvaa, Tähän ei tarvita mitään ulkoista: tilan määrä vain muuttuu ajassa.

Pekka

# Syksy Räsänen kirjoittaa:
29. maaliskuuta 2011 kello 15.00

Pekka:

Kuten kirjoitin, inflaation perusteella arvellaan, että maailmankaikkeus jatkuu samanlaisena vielä pitkälle. Mitään suoraa tapaa tarkistaa tätä havainnoilla ei ole. Näkyvä osa maailmankaikkeutta ei ole kolmiulotteinen pallopinta, tämä oli Einsteinin idea 1917, mutta ei vastaa havaintoja.

Maailmankaikkeuden laajeneminen liittyy tosiaan sen ainesisältöön, mutta sellainen ajatus, että jokin työntäisi maailmankaikkeutta laajenemaan, ei pidä paikkaansa. Maailmankaikkeus laajenisi vaikka pimeää energiaa ei olisi.

En osaa mitenkään hahmottaa kolmiulotteista pallopintaa, sen sijaan edellä käyttämäni vertaus maailmankaikkeuteen missä kaikki universumin materia ja energia on kaksiulotteinen varjo tässä havaitsemamme maailmankaikkeuden pallopinnalla on paremmin hahmotettavissa. Maailmankaikkeus voi siis laajeta ilman pimeää energiaa, ok. Mikä tämän laajenemisen sitten aiheuttaa, mikä puhaltaa "ilmaa" tähän pallopinnalla olevaan maailmankaikkeuteen?

Syksy Räsänen

Pekka:

Tuon kolmiulotteisen pallonpinnan voi ymmärtää ottamalla yhden ulottuvuuden pois ja ajattelemalla kaksiulotteista pallon pintaa. On oleellista, että olemassa olisi vain pallon pinta, ei ympäroivä avaruus. Varjot eivät siis ole sopiva vertaus.

Ajatus siitä, että laajeneminen tarvitsisi mitään lähdettä joka työntäisi maailmankaikkeutta on väärä. Asiaa voi ajatella seuraavasti: maailmankaikkeus on alkanut laajenemaan jollain nopeudella, ja laajeneminen on sitten hidastunut siksi, että aineen osaset vetävät toisiaan puoleensa. Laajeneminen on viime aikoina kiihtynyt, mahdollisesti siksi että osa maailmankaikkeuden aineesta hylkii sen sijaan että vetäisi puoleensa. Siihen, miten maailmankaikkeus laajenee, vaikuttaa siis sen ainesisältö, mutta se, että se laajenee ei johdu siitä, että siinä on ainetta.

Pekka

Todella mielenkiintoinen kommentti, kiitos Syksy. Mielestäni maailmankaikkeuden ainesisältö ei vaikuta mitenkään siihen, että laajeneeko maailmankaikkeus vai ei. En myöskään ymmärrä teoriaa missä maailmankaikkeuden laajeneminen joskus hidastui siksi että aineosaset vetävät toisiaan puoleensa, sorry. Jos maailmankaikkeuden energia- eli massakeskittymät vaikuttaisivat laajenemiseen, niin eikös silloin maailmankaikkeus hahmoteta virheellisesti ilmiönä, mikä on samanlainen kuin perinteinen räjähdys missä on yksiselitteinen räjähdyskeskipiste? Eihän se näin mene?

Syksy Räsänen

Pekka:

Siitä, että maailmankaikkeuden ainesosat vaikuttavat laajenemiseen, ei mitenkään seuraa se, että laajenemisella olisi keskipiste. Puhe siitä, että ainesosaset vetävät toisiaan puoleensa, on toki epätarkkaa: on oikeammin sanoa, että aine vaikuttaa aika-avaruuden kaareutumiseen, jonka ilmenemismuoto avaruuden laajeneminen on. Mutta vaikutus on jokseenkin sama kuin jos hiukkasten välillä olisi vetovoima - ainakin malleissa, joissa maailmankaikkeus on täysin samanlainen kaikkialla; rakenteen vaikutuksen tapauksessa erot alkavat näkyä, ja kaarevuus on pakko ottaa vakavasti.

Hakkis

Onko seuraava väite totta ? Maailmankaikkeuden vastakkaisilla reunoilla olevat massat eivät vaikuta toisiinsa gravitaation kautta, koska gravitaation vaikutus ei ole ehtinyt kulkea maailmankaikkeuden halki.

Jos väite on totta, niin onko se osattu ottaa huomioon laskelmissa koskien maailmankaikkeuden laajenemista ?

Syksy Räsänen

Hakkis:

Kyllä, tarpeeksi kaukana olevat massat eivät ole vielä ehtineet vuorovaikuttaa keskenään. Se, että näkemämme osa maailmankaikkeutta on samanlainen kaikkialla oli tästä syystä aikoinaan suuri kummastuksen aihe (mistä alueet tietävät olla samanlaisia?), mutta inflaation katsotaan ratkaisseen tämän ongelman siten, että koko näkemämme alue on siis varhaisina aikoina ollut kosketuksissa, vaikka ei siltä näytäkään. Ks.

http://www.tiede.fi/blog/2009/02/28/syntymiskipuja

Mitä tulee maailmankaikkeuden laajenemiseen, jos rakenteiden muodostumisen vaikutus jätetään sikseen niin tuo gravitaation äärellinen nopeus on kyllä huomioitu. Rakenteita tutkittaessa sen sijaan efektiä ei kunnolla huomioida, ja tällä saattaa olla merkitystä. Ks

http://www.tiede.fi/blog/2010/07/31/epaselvia-suhteita/

Timo

"Varhaista maailmankaikkeutta kuvaavan inflaation perusteella arvellaan, että maailmankaikkeus jatkuu samanlaisena vielä paljon horisonttiamme kauemmas. Mutta kaikkein suurimman mittakaavan rakenteesta meillä ei ole aavistustakaan."

Riippuu siitä onko inflaatioteoria edes totta. Jos se ei ole ja inflatoorista laajentumista ei ole edes tapahtunut, maailma ei olekaan niin suuri kuin luullaan.

Toinen Timo

Pekka kysyi näkyvästä maailmankaikkeudesta. Itse olen miettinyt tuota ja ajattelin, josko Syksy voisi kirjoittaa blogin, miten maailmankaikkeuden koko määritellään ja mikä on ero näkyvällä ja havaittavalla maailmankaikkeudella (Hubblen pallo ja mitä niitä on) ja mistä tuo ero johtuu. Samaan asiaan liittyy minusta ilmiö, jonka mukaan osa tähdistä näyttää liikkuvan meistä poispäin valonnopeuden monikerralla. Tiedän, ettei moinen liike ole mahdollista ja tuo 'liike' onkin tilan lisääntyminen. Mutta kuten sanoin, aihetta voisi kansantajuistaa.

Pentti S. Varis

http://evodevouniverse.com/wiki/Main_Page

Kosmologien kannattaisi varmaan tutustua evo-devoon universumin kehittymisen periaatteena. Kuitenkin heidän pitäisi ottaa ohjenuorakseen darwinistisen sattuman ja luonnonvalinnan asemesta vakuumin rakenne evoluution kulmakivenä:

http://users.physik.fu-berlin.de/~kleinert/kleinert/?p=worldcrystal

Lisäksi Arto Annilan Planckin aktioihin perustuva universumin rakenne -teoria voi sisältää olennaisesti uutta kosmologeille:

http://www.helsinki.fi/~aannila/arto/all2.pdf

Näin on varsinkin nyt BB-vision horjuessa:

http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2010/03/there-was-no-big-bang-unive...

Hessu.

Seuraavien vuosikymmien aikana tämä kuva on varmentunut ja tarkentunut monin tavoin. Nykykosmologia on vankasti havaintoihin pohjaava tiede.

Onkohan näin?

Sinun artikkelia kun luin niin se on aika lailla historian jatkumon päälle rakentuvaa tarkastelua jossa alkuolettama tulee sadan vuoden takaa.

Millä havainnolla voimme todistaa kuun iän?

Syksy Räsänen

Hessu.:

Merkintä ei ollut katsaus niihin moninaisiin havaintoihin, joihin kuvamme maailmankaikkeudesta perustuu. Joistakin niistä, kuten kevyiden alkuaineiden pitoisuuksista, kosmisesta mikroaaltotaustasta ja tyypin Ia supernovista olen kirjoittanut aiemmin.

http://www.tiede.fi/blog/2007/12/14/populaareja-ihmeita/

http://www.tiede.fi/blog/2008/02/28/valoa-kaukaa/

http://www.tiede.fi/blog/2009/05/14/ylos-tulenpyorteessa/

Kuututkimusta (tai muutenkaan aurinkokuntien ja planeettojen fysiikkaa) en juuri tunne.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto