Kosmologinen inflaatio keksittiin vuonna 1980 selittämään, miksi maailmankaikkeus näyttää samalta kaikkialla (ks. edellinen merkintä). Tai teoreettiset fyysikot ajattelevat ennemmin, että maailmankaikkeuden tasaisuus auttoi löytämään inflaation. Pian ymmärrettiin, että inflaatio ei selitä ainoastaan sitä, miksi maailmankaikkeus on melkein tasainen, vaan myös sen, mistä pienet epätasaisuudet ovat syntyneet.

Tyypillisissä inflaatiomalleissa kiihtyvää laajenemista ajaa koko avaruuden täyttävä kenttä, jota kutsutaan inflatoniksi. Kiihtyvä laajeneminen venyttää niin avaruuden kuin kentänkin tasaiseksi. Jos maailmankaikkeuden kehitys noudattaisi klassisen fysiikan deterministisiä lakeja, niin näkemämme maailmankaikkeuden osa olisi täysin samanlainen kaikkialla: ei olisi galakseja, ei aurinkokuntia, ei mitään mikä erottaisi yhden paikan toisesta.

Kvanttimekaniikan mukaan kuitenkaan mikään ei voi olla täysin tasaista: aina on pieniä poikkeamia, kvanttivärähtelyjä, jotka heilahtelevat sinne tänne sattumanvaraisesti. Ainoastaan tapahtumien todennäköisyyden voi ennustaa, mutta sitä, mikä vaihtoehto todella tapahtuu, ei määrää mikään sääntö. Vaikka inflaatio pystyy mankeloimaan maailmankaikkeuden keskimäärin tasaiseksi, ei ole mitään keinoa taltuttaa pieniä ryppyjä siellä täällä.

Kvanttivärähtelyt ovat yleensä pieniä ja lyhytkestoisia, eikä niillä ole nykyään arkipäivän ilmiöissä merkitystä. Inflaatio kuitenkin paisuttaa näitä pieniä poikkeamia siinä missä kaikkea muutakin. Kun inflatonikentän arvo heilahtaa jossain hieman pois tasaisesta, niin poikkeama venyy kiihtyvän laajenemisen takia valtaviin mittasuhteisiin, ennen kuin ehtisi romahtaa takaisin. Poikkeama kasvaa hetkessä isommaksi kuin kosminen horisontti (eli isoin alue, jonka osaset voivat vuorovaikuttaa keskenään). Sen jälkeen poikkeama onkin turvassa: se jäätyy paikalleen, eikä mikään poikkeaman syntyalueessa tapahtuva voi sitä enää hävittää.

Inflaatio synnyttää kirjon tällaisia ryppyjä inflatonikentässä. Kun inflaatio loppuu, inflatoni hajoaa kuumaksi kaasuksi, joka koostuu kvarkeista, elektroneista, fotoneista, neutriinoista, pimeästä aineesta ja niin edelleen, ja tämä kaasu perii inflatonin kauneusvirheet. Noin 400 000 vuotta myöhemmin kaasun lämpötila on laskenut niin paljon, että elektronit ja atomiytimet voivat yhtyä atomeiksi menemättä heti rikki. Tällöin valo, joka on aikaisemmin poukkoillut ydinten ja elektronien muodostamassa plasmassa, irtoutuu aineesta. Maailmankaikkeus muuttuu läpinäkyväksi, valo matkaa esteettä ja kuljettaa mukanaan inflaatiosta saamiaan ryppyjä. Nykyään ne näyttävät tältä:

wmap.png

(Kuvan lähde: WMAP-ryhmä, http://map.gsfc.nasa.gov/media/080997/index.html.)

Kuva näyttää kosmisen mikroaaltotaustan sadastuhannesosan kokoiset poikkeamat tasaisesta ja paljastaa, miltä maailmankaikkeus näytti noin 13 miljardia vuotta sitten. Samalla tapaa Aurinkoa katsoessa näemme, miltä se näytti 8 minuuttia sitten, kun silmiimme nyt saapuva valo lähti Auringon pinnalta. (Itseasiassa Auringon pinnan lämpötilakin on samanlainen kuin aineen silloin, kun kosmisen mikroaaltotausta siitä erkani, joitakin tuhansia asteita. Maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt kosmisen valotaustan aallonpituutta, niin että se on nykyään mikroaaltoalueella, eikä siksi näy paljain silmin.)

Kvanttimekaniikan lait tunnetaan, joten on mahdollista laskea, millaisia epätasaisuuksia inflaation aikana syntyy - tarkkoja yksityiskohtia ei voi ennustaa, koska ne ovat sattumanvaraisia, mutta ryppyjen jakauman kylläkin. Ennusteet ovat pitäneet erittäin hyvin yhtä havaintojen kanssa. Ei voida vielä sanoa varmasti, onko inflaatio todella tapahtunut, mutta kosmologi Douglas Scottin sanoin "something like inflation is something like proven". Nykyään vaihtoehdot inflaatiolle yrittävät  jollain eri menetelmällä tuottaa samat ennusteet kuin inflaatio - eivätkä ole tässä kovin hyvin onnistuneet. Ensi kuussa (toivon mukaan) kiertoradalle nouseva Planck-satelliitti tulee mittaamaan kosmista mikroaaltotaustaa ennennäkemättömän tarkasti, ja saattaa kertoa jotain uutta inflaatiosta; tästä lisää lähempänä laukaisuajankohtaa.

Tieteen edistys on jatkuvasti muuttanut käsitystä ihmisen roolista maailmankaikkeudessa, ja inflaatio on tämän tarinan uusin vaihe. Ei riitä, että kotimme on maailmankaikkeuden keskustan sijaan vain yksi lukemattomista lähiöplaneetoista, että olemuksemme onkin tahdotta muovautunut tämän vihamielisen ympäristön ehdoilla jumalaisen suunnitelman sijaan. Inflaation mukaan planeettojen, galaksien, kaiken rakenteen olemassaolo on seurausta sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä. Edes roolimme yhdentekevyys ei ole kosmisesti määrättyä, kaikki on peräisin siitä, että ei ole mitään sääntöjä, jotka hallitsisivat maailmaa kokonaan. Kosmisen mikroaaltosäteilyn poikkeamien sattumanvaraisuus on ilmoitus paikastamme maailmassa. Näky on merkityksettömyydessään lohduttava ja vapauttava.

Inflaatio ei ole tieteen viimeinen sana, eikä maailmankaikkeuden ensimmäinen tapahtuma. Kysymys siitä, miten kaikki on alkanut, on hioutunut muotoon "mitä oli ennen inflaatiota"? Aiheesta on erilaisia malleja ja spekulaatioita, mutta ei kunnollista teoreettista ymmärrystä, eikä tiedetä, mitkä havainnot kantaisivat viestiä niiltä ajoilta. Saattaa olla, että kysymykseen kiinni pääseminen vaatii kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämistä toden teolla, eikä vain puolivillaisesti kuten inflaatiossa. Tämä on ollut teoreettisen fysiikan suurin ongelma vuosikymmenien ajan, eikä ratkaisua ole näkyvillä (aiheesta ehkä toiste enemmän). Mutta voi olla, että tuntemiemme fysiikan periaatteiden avulla pääseekin vielä taaksepäin, tai että kvanttigravitaatiossa tehdään jokin yllättävä edistysaskel. Ennen inflaation kehittämistä ei sekään näyttänyt luultavalta, että pystyisimme tunnetuin konstein selittämään, mistä kaikki näkyvä rakenne on peräisin.

Kommentit (4)

Pekka

Jos tämän inflaatio-mekanismin ymmärsin oikein, niin eikö ole todella kummallista, että jos/kun maailmankaikkeuden nyt havaittava rakenne on saanut alkunsa kvanttivärähtelyistä, niin tässä nykyisin havaittavassa maailmankaikkeudessa, mikä on kooltaan "aika iso", tiedemiehet ihmettelevät kvanttimaailmaa mikä on kooltaan "aika pieni"... Ihmettelen sitä, miten maailmankaikkeuden rakenne ja koko, ja kvanttifysiikan mittasuhteet ovat toisistaan niin järkyttävän erilaisia, silti toista ei ole ilman toista. Harmi että en omaa minkäänlaista teoriapohjaa näissä asioissa, koska en osaa kysyä asioita, vain ihmetellä. Massan alkuperä on eräs ihmettelyn aiheeni, ja tämä liittyy inflaatioon sikäli että olisi kiva tietää milloin massa sai "massan", tapahtuiko tämä inflatorisen vaiheen aikana, ennen vai jälkeen? Luulen ymmärtäväni että ainakin ennen inflaatiota luonnon perusvoimat olivat "yhtä", kunnes "lämpötilan laskiessa" tapahtui voimien jäätyminen nyt havaittuihin arvoihin.

Syksy Räsänen

Pekka:

"Massan alkuperä on eräs ihmettelyn aiheeni, ja tämä liittyy inflaatioon sikäli että olisi kiva tietää milloin massa sai “massan”, tapahtuiko tämä inflatorisen vaiheen aikana, ennen vai jälkeen?"

Massan käsite on toki olemassa jo inflaation aikana. (Inflatonilla on massa.) Tunnetut alkeishiukkaset saivat (tiettävästi) massan vasta inflaation jälkeen, Higgsin hiukkasen tilan muuttuessa sähköheikon symmetrian rikkoutuessa - asiasta kenties joskus myöhemmin lisää.

Maljan jäljillä - blogit - Tie...

[...] ovat mitättömän pieniä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toisin, erityisesti inflaation aikana sekä gravitaatio että kvanttiefektit ovat oleellisia. Inflaatio tuottaa ryppyjä ei vain [...]

Litteän maailman selitys - blo...

[...] tunnetun vaiheen aikana maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin vähäisessä murto-osassa. Inflaatio selittää muitakin maailmankaikkeuden piirteitä, kuten sen että yhdensuuntaiset viivat eivät [...]

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