Maailmankaikkeudessa on silmin tai tutkimuslaittein havaittavaa ainetta yhtä vähän kuin oluessa alkoholia, kaikki loput 95 prosenttia on tuntematonta pimeää ainetta.

Vielä sitäkin oudompaa on pimeä energia, joka on kirjaimellisesti ei mitään! Se on tyhjiön energiaa, joka ajaa kosmosta laajenemaan ja hajottaa sen aikanaan. Pimeä energia puhaltaa galaksit ja tähdet erilleen kuin syysmyrsky lehdet ja hävittää kaiken aineen omaan mitättömyyteensä.

Tämä ei käy järkeen - mutta pitäisikö käydä?

Tähtiprofessori Esko Valtaoja käy käsiksi maailmankaikkeuden pimeyteen ja arvelee törmäävänsä tieteen rajoihin.


ainetta yhtä vähän kuin oluessa alkoholia, kaikki loput 95 prosenttia
on tuntematonta pimeää ainetta.Vielä sitäkin oudompaa on pimeä energia,
joka on kirjaimellisesti ei mitään! Se on tyhjiön energiaa, joka ajaa kosmosta
laajenemaan ja hajottaa sen aikanaan. Pimeä energia puhaltaa galaksit ja
tähdet erilleen kuin syysmyrsky lehdet ja hävittää kaiken aineen omaan mitättömyyteensä.
Tämä ei käy järkeen - mutta pitäisikö käydä?
Tähtiprofessori Esko Valtaoja käy käsiksi maailmankaikkeuden pimeyteen ja arvelee törmäävänsä tieteen rajoihin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 7/2005

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Toinen maailma. Syvempi, aidompi maailma, jonka näemme kuin kuvastimessa, arvoituksen tavoin, ja josta omamme ilmiöineen ja tapahtumineen, koko maailmanhistorioineen, on vain kalpea häivähdys. Antiikin mysteeriuskonnoista new age -kultteihin, Platonin luolavertauksesta Dan Brownin Da Vinci -koodiin - aina olemme ajatelleet, että tässä ei voi olla kaikki, että näkemämme alla piilee näkymätön todellisuus.


Kuinka kummallista, että niin näyttää todellakin olevan! Näkyvä maailmankaikkeus on vain mitätön ripaus todellisuudesta - mutta todellisuuskaan ei osoittautunut aivan sellaiseksi kuin olimme kuvitelleet.


Kosmoksessa on ainetta saman verran kuin keskikaljassa alkoholia, viitisen prosenttia. Siitäkin vain merkityksetön kymmenesosa on galakseja, tähtiä, planeettoja, kallioita, lehteviä puita ja tiedelehden lukijoita, kaikkea sitä, minkä näemme silmätessämme ympärillemme tai katsellessamme yötaivasta. Kaikkea sitä, mitä luulimme koko maailmaksi ja minkä rakennetta, syntyä ja kehitystä olemme vuosisadasta toiseen yrittäneet saada selville.


Kymmenen kertaa enemmän on ohutta kaasua, joka ei ole koskaan tiivistynyt tähdiksi ja jonka olemassaolosta varmistuimme vasta viime vuosikymmenellä. Kaikki muu, 95 prosenttia, on silmiltämme ja kaukoputkiltamme salattua pimeää ainetta tai vieläkin oudompaa pimeää energiaa.


Miksi? Miksi meillä ei tunnu olevan osaa eikä arpaa maailmassa, joka kaikessa pimeässä voimassaan näyttää vielä olevan meitä vastaan eikä meidän puolellamme? Emme tiedä. Maailmankaikkeus on, kaiken kaikkiaan, ymmärryksellemme sangen pimeä juttu.


Gravitaatio paljastaa pimeän aineen


Pimeäksi aineeksi nimetty kummajainen ei ole arjen pimeyttä eikä ainetta, sellaista kuin valottomassa huoneessa nukkuva musta kissa. Valot sytyttämällä mirrin kyllä näkee, tai sitten siihen kompastuu sähkökatkaisinta hapuillessaan. Sähkömagneettinen voima ja atomeja ja molekyylejä koossa pitävä vahva ydinvoima ovat ilmoittaneet, että tässä on ainetta, protoneja, neutroneja ja elektroneja. Mutta jos kissa olisi aitoa pimeää ainetta, emme näkisi emmekä tuntisi sitä.


Vain huolellinen mittaus voi osoittaa, että huoneessa on jotain. Otetaan luotilanka ja riiputetaan sitä. Kissan massa poikkeuttaa lankaa hitusen sivuun Maan keskipisteeseen osoittavalta janalta. Luonnon perusvoimista kolmas, gravitaatio, paljastaa kissan olemassaolon.


Tähtitieteilijät huomasivat maailmankaikkeuden pimeän massan olemassaolon hieman samalla tavalla jo 1930-luvulla. Suurten galaksijoukkojen yksittäiset linnunradat liikkuivat avaruudessa aivan liian nopeasti. Jokin paljon vahvempi kuin vain toisten galaksien massan vetovoima kieputti niitä, jokin, mikä ei säteillyt valoa. Pimeä aine oli paljastanut itsensä.


Myös oman Linnunratamme tähdet liikkuvat liian nopeasti. Vuosikymmenien uurastuksen jälkeen tähtitieteilijät ovat nyt varmoja siitä, että galaksimme ja koko kosmoksen täyttävä pimeä aine ei voi olla tavallista ainetta; sen täytyy koostua meille vielä tuntemattomista massiivisista alkeishiukkasista, jotka eivät taskulampuista tai potkuista piittaa. Gravitaation lisäksi niihin vaikuttaa vain luonnon neljäs perusvoima, heikko vuorovaikutus.


Jos pimeää ainetta on paljon enemmän kuin näkyvää, voisiko huoneemme keskellä juuri nyt olla Hangon kissa, josta ei näy edes virnistystä? Elämmekö keskellä haamumaailmaa? Todennäköisesti emme sentään. Maailmankaikkeus on niin harva, että koko maapallon kokoisessa tilassa on keskimäärin vain hiekanjyvän verran pimeää ainetta, jos se on suhteellisen tasaisesti jakaantuneena avaruuteen. Ja paikalliset haamuplaneetat olisimme kyllä jo havainneet.


Mutta entäpä muualla? Tämän vuoden alussa tähtitieteilijät löysivät ensimmäisen pimeän aineen galaksin, tyystin valottoman.Voisiko pimeä aine tiivistyä myös tähdiksi, planeetoiksi, kenties jopa eläviksi olennoiksi? Tunnetut vuorovaikutukset eivät tosin pysty liittämään pimeän aineen hiukkasia toisiinsa yhtä lujasti kuin oman ruumiimme atomeja. Mutta koska emme edes tiedä, mitä ne hiukkaset ovat, ehkä lisää yllätyksiä on vielä luvassa.


Pimeä energia kiihdyttää kosmosta


Jos pimeä aine kummastuttaa, niin pimeään energiaan verrattuna se tuntuu suorastaan arkipäiväiseltä. Pimeä aine on sentään ainetta, joskin meille vielä tuntemattomista hiukkasista koostuvaa ja huonotapaisesti käyttäytyvää. Pimeä energia taas on kirjaimellisesti ei mitään - kosmologista vakiota.


Kosmologisen vakion ymmärtämiseksi kannattaa palata hetkeksi koulunpenkille, fysiikan kokeeseen. (Älä lopeta lukemista tähän; takaan, että et reputa.) Laskutehtävä: Auto kiihdyttää kymmenen sekunnin ajan kiihtyvyydellä 1 m/s2. Mikä on auton loppunopeus? Jos vastaat, että ei niin hajuakaan, niin onneksi olkoon - vastaus on oikein! Loppunopeus ei riipu vain ajasta ja kiihtyvyydestä, vaan myös siitä, mikä on auton alkunopeus, ja sitä ei kerrottu. Tieteen kielellä sanottuna kyseessä on alkuehto, integroimisvakio, jollaisen voi aina lisätä kaavoihin ja jonka arvo voi periaatteessa olla mikä tahansa.


Kun Albert Einstein 1917 sai muotoilluksi maailmankaikkeuden liikkeen yhtälöt, hän huomasi kauhukseen, että niiden mukaan kosmos on koko ajan joko laajenemassa tai supistumassa. Ymmärrämme nyt, että niin täytyy ollakin. Maailmankaikkeus on kuin ilmaan heitetty kivi, joka nousee ylöspäin tai putoaa alaspäin; se ei jää leijumaan paikalleen. Mutta Einstein uskoi maailmankaikkeuden olevan ikuinen ja muuttumaton ja muutti siksi yhtälöidensä integroimisvakion nollasta poikkeavaksi. Sopivalla arvolla universumi jäi nyt leijumaan paikoilleen.


Koska suhteellisuusteoria ei kerro meille integroimisvakion arvoa, temppu oli kyllä matemaattisesti sallittu mutta vähän sopupeliltä haiskahtava. Sopivalla alkunopeuden valinnalla auton loppuvauhdiksi saa mitä tahansa, ja sopivalla kosmologisen vakion valinnalla maailmankaikkeuden saa tekemään mitä tahansa. Kun Einstein kaksitoista vuotta myöhemmin kuuli, että maailmankaikkeus laajenee, hän hivenen häpeissään mutta huomattavasti helpottuneena kumitti vakionsa pois yhtälöistä. Ne näyttivät nyt paljon kauniimmilta.


Heität kiven ilmaan. Se nousee ylöspäin yhä hitaammin, ja kohta sen pitäisi alkaa pudota. Mutta mitä ihmettä? Yhtäkkiä kivi alkaakin kiihdyttää ja katoaa kohta taivaan sineen. Jonkun peijoonin on täytynyt kiinnittää sen kylkeen rakettimoottori.


Maailmankaikkeuden rakettimoottorin löysi yllättäen kaksi tutkimusryhmää vuonna 1998. Kaukaisista supernovista tehdyt havainnot osoittivat, että maailmankaikkeuden laajeneminen oli ensin kiltisti hidastunut ensimmäisinä vuosimiljardeina mutta sitten vauhti oli alkanut jälleen kasvaa. Alkuräjähdyksen sinkoamisvoiman ja laajenemista hidastavan kosmoksen oman vetovoiman lisäksi peliin oli astunut jokin kolmaskin voima. Se saattoi olla vain pahamaineinen kosmologinen vakio, joka kaikkien kauhuksi oli ryöminyt ulos Einsteinin roskakorista.


Pimeä energia on tyhjiön energiaa


Kouluesimerkissä integroimisvakio kertoi auton alkunopeuden. Mitä kosmologinen vakio kertoo? Einsteinin yhtälöiden tarkastelu osoittaa, että sen täytyy kertoa meille, kuinka paljon tyhjässä avaruudessa on energiaa.


Kuinka tyhjässä voi olla mitään? Aivan helposti, muutenkin arkijärkeen käymätön kvanttifysiikka sanoo. Pienenä ongelmana on vain se, että tyhjiössä pitäisi piillä energiaa noin 10120 kertaa enemmän kuin tähtitieteilijät ovat nyt löytäneet. Jos kvanttifysiikan ennuste pitäisi paikkansa, jo hiekanjyvän kokoinen pala tyhjää avaruutta olisi riittänyt räjäyttämään koko näkyvän maailmankaikkeuden huitsin nevadaan.


Tyhjiöenergiaan liittyy pari muutakin järkeenkäymättömyyttä. Ensiksikin, koska se on vakio - niin ja niin paljon kuutiometriä kohden - maailmankaikkeuden laajentuessa myös tyhjiöenergian määrä kasvaa. Muutama miljardi vuotta sitten se oli kasvanut kyllin suureksi voittaakseen niin valoisan kuin pimeänkin aineen vetovoiman, otti ohjat käsiinsä ja alkoi kiihdyttää laajenemista.


Kiihdyttää? Aivan, sillä tyhjiöenergialla on suuri negatiivinen paine. Kaikella tavallisella aineella ja energialla on positiivinen paine. Jos paperipussiin puhaltaa lisää ilmaa, se pullistuu. Jos sinne puhaltaa lisää tyhjiöenergiaa, se kutistuu. Tyhjiön negatiivista painetta emme huomaa, koska se on kaikkialla sama, mutta suhteellisuusteorian mukaan negatiivinen paine synnyttää myös negatiivista gravitaatiota. Siksi tyhjiöenergia työntää pois kaikkea muuta ainetta. Jos tätä energiaa voisi jotenkin tiivistää tai purkittaa, voisimme rakentaa satujen lentävän taikamaton tai tieteiskirjojen antigravitaatiomoottorin.


Maailmankaikkeus pakenee omaa itseään, oman avaruutensa luotaantyöntävää painovoimaa. Laajenevassa kosmoksessa aineen keskitiheys pienenee mutta tyhjiön energiatiheys pysyy vakiona. Aine katoaa omaan mitättömyyteensä. Parinkymmenen miljardin vuoden kuluttua sitä on enää promillen murto-osa kaikesta. Tyhjiön energia hajottaa maailmankaikkeuden, puhaltaa sen galaksit ja tähdet erilleen kuin kuolleet lehdet syysmyrskyssä.


Ulottuvuuksia oltava enemmän kuin neljä


Pimeä aine, vielä pimeämpi energia. Mistä voisimme saada edes vähän valoa tähän pimeyteen? Kenties musiikki auttaa.


Kamariorkesteri soittaa Beethovenin viulukonserttoa. Mikä loppumaton harmonia, monimutkaisuus, kauneus ja yllätyksellisyys - ja kuitenkin kaiken synnyttää vain pieni joukko jännitettyjä kieliä, jotka värähtelevät! Nykyisin suuressa huudossa olevat säieteoriat yrittävät samantapaista: koko maailma hiukkasineen, voimineen ja vuorovaikutuksineen syntyy hyvin pienten jännitteisten säikeiden värähtelystä.


Säieteoria yhdistää kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian. Se ennustaa tieteelle toistaiseksi tuntemattomia supersymmetrisiksi kutsuttuja hiukkasia, joista pimeä aine voisi koostua. Säieteoria selittää, miksi tyhjiöenergia on sen kokoinen kuin se on. Teoria on niin kaunis, että sen täytyy olla totta, teoreetikot sanovat; siitä löytyy selitys kaikkeen, pienimmästä suurimpaan, kvarkkien massoista maailmankaikkeuden syntyyn.


Tutkijat eivät kuitenkaan vielä osaa muotoilla säieteorian yhtälöitä eivätkä ole saaneet aikaan ensimmäistäkään varmaa selitystä tai ennustusta. Tai kenties totta onkin säieteorian lapsi, M-teoria, joka on niin paljon vaikeampi, että kukaan ei edes tiedä, millainen teoria se oikeastaan on. Musiikki kuullaan, mutta kukaan ei tiedä, minkälaiset soittimet sen saavat aikaan.


Jotta värähtelystä syntyisivät maailmankaikkeuden hiukkaset, säikeiden täytyy soida yhdessätoista ulottuvuudessa. Neliulotteisella aika-avaruudellamme voi olla vain kolme eri muotoa, mutta säieteorian esiin manaamilla Calabin-Yaun avaruuksilla muotoja on lukemattomia. Yksi niistä tuottaa oman maailmankaikkeutemme musiikin, säieteoreetikot lupaavat, mutta mikä? Havaintojensa keskellä elävä tähtitieteilijä pudistaa huokaisten päätään ja tuijottaa synkkänä mittaustuloksia pimeästä aineesta ja energiasta.


Mitä ihmettä Jumala oikein ajatteli?


Pimeyttä tutkitaan kaikin mahdollisin keinoin, ja ehkä piankin tiedämme, koostuuko pimeä aine todella supersymmetrisistä hiukkasista ja onko kosminen poistovoima tyhjiön energiaa. Mutta sellaiset vastaukset eivät vielä riitä. Kosmoksen pimeän puolen tutkiminen vie meidät väkisinkin sen kysymyksen äärelle, johon tiede aina väittää olevansa haluton ja kykenemätön vastaamaan: miksi?


Tehdäänpä ajatuskoe. Jumala on olemassa, ja koko maailmankaikkeus on hänen luomansa. Alussa oli Sana, ja Sana asetti kaiken sen, minkä mukaan kosmos syntyi ja kehittyi: luonnonlait, aineet ja energiat, paikat ja ulottuvuudet. Luoja teki maailmankaikkeuden, joka tulisi toimeen omillaan, vailla jatkuvaa remppaa, ja johon aikanaan ilmestyisi elämää.


Näin ajatellen moni aluksi hämmästyttävältä tuntuva seikka on ymmärrettävissä. Miksi esimerkiksi niin valtava avaruus, eikö vähempikin olisi riittänyt? Ei näillä pelisäännöillä, koska evoluutio on hidas prosessi ja vain miljardien vuosien ikäisessä suuressa maailmankaikkeudessa ehtii kehittyä eläviä olentoja.


Mutta mikä on pimeän energian tarkoitus? Alussa tyhjiöenergiaa oli niin vähän, ettei se voinut vaikuttaa mihinkään: kosmos ja elämä eivät tarvinneet sitä syntyäkseen ja kehittyäkseen. Pimeä energia ei tee mitään hyödyllistä, vain varmistaa sen, että ajan mittaan elämä käy mahdottomaksi. Millainen Jumala päästää lopulta irti kuoleman enkelin Azraelin tuhoamaan kaiken elävän, vailla uuden syntymän mahdollisuutta?


Vai pohdimmeko sellaista, mihin ymmärryksemme ei voi yltää? Kenties kaikella, pimeällä energiallakin, on tarkoituksensa. Myrskyn keskeltä Raamatun Jumala osoitti Jobin ymmärryksen rajat: "Missä sinä olit silloin kun minä laskin maan perustukset? Tunnetko sinä tien valon kotipaikalle? Tunnetko paikan, jossa pimeys asuu? Sinäkö tunnet taivaan säännöt?"


"Missä sinä olit silloin, kun minä laskin Calabin-Yaun avaruuden topologian?" voisi Luoja kenties jylistä nykypäivän säieteoreetikolle.


Pimeä energia on kauneusvirhe


Samankaltaiset pohdiskelut ovat mahdollisia myös ilman kor-keampia voimia. Maailman syvimmän olemuksen ymmärtämisessä keskeiseksi ohjenuoraksi on osoittautunut kauneus. Luonto on selkeä, yksinkertainen ja symmetrinen, vailla kauneusryppyjä. Kerran toisensa jälkeen olemme huomanneet, että matemaattisista kaavoista kauneimmat ja sopusuhtaisimmat kuvaavat parhaiten todellisuutta.


Esimerkiksi suhteellisuusteoria voi tuntua käsittämättömän monimutkaisuuden huipulta, mutta syy piilee yksinkertaisissa aivoissamme, ei monimutkaisessa luonnossa. Aika ja avaruus ovat niin yksinkertaisia kuin vain voivat olla, ja laki on kaikille sama - siinä kaikki, mitä Einstein tarvitsi teoriansa pohjaksi. Mikä voi olla sen selkeämpää, sen kauniimpaa?


Pimeä energia on kosminen näärännäppy, väkisin yhtälöihin ympätty lisäys. Miksi ihmeessä? Ja kun nyt vauhtiin päästiin, niin miksi kaikki hiukkaset on supersymmetrian mukaan pitänyt tehdä kuuteen kertaan, kun yksikin hiukkasperhe olisi mainiosti riittänyt luomaan koko näkyvän maailman ja elämän eikä muista ole kuin tarpeettomaksi pimeäksi aineeksi? Onko taustalla dementoitunut Jumala, joka ei muista edellisen luomispäivän puuhiaan, vai jokin niin syvä ja kaunis superhypersymmetrinen periaate, että emme lainkaan tajua sitä eivätkä aivomme riitä ymmärtämään sen matematiikkaa?


Palapeli vai fraktaali?


Tehdäänpä toinen ajatuskoe. Pöydällä lojuu pahvinpala, täynnä värikkäitä täpliä ja mutkikkaita kuvioita, joista ei ainakaan ensi näkemältä löydä mitään järjestystä. Suurin osa palasta näyttää olevan pelkkää mustaa. Se on oma universumimme, kaikki, mitä pystymme tutkimaan. Voimmeko koskaan ymmärtää sitä täysin?


Emme, koska pahvinpala on osa suurta palapeliä, jonka toisia osia emme saa käsiimme. Me vain satumme olemaan juuri tällä palasella, jonka ominaisuudet ovat meidän kannaltamme selittämättömiä. Täällä nyt vain sattuu olemaan enemmän pimeää energiaa kuin naapurissa. Meitä loputtomiin askarruttava suuri musta väriläikkä on osa Taistelevat metsot -palapelin linnun siipeä, mutta sitä emme koskaan saa selville.


Säieteorioiden erilaisia yksitoistaulotteisia avaruuksia voi olla jopa 10500. Kenties jokainen niistä vastaa yhtä maailmankaikkeutta, joukossa omamme. Suuri palapeli, todellakin: edes palojen luettelo ei mahtuisi omaan kosmokseemme.


Onko maailmankaikkeus kuin palapeli, osa niin paljon suurempaa suunnitelmaa tai sattumaa, että ymmärryksemme ja tieteemme raja tulee lopulta vastaan? Jumalan salattu suunnitelma, antrooppinen periaate, multiversumi, luvuttomat dimensiot: asiat vain ovat niin kuin ne ovat omassa kosmoksessamme, jossain muualla on toisin. Voisiko siinä olla syy siihen, miksi pimeä energia omasta pikku perspektiivistämme vaikuttaa niin turhalta ja tarpeettomalta - niin rumalta? Maailmamme ei ole kaunein mahdollinen.


Mutta kenties pöydällä ei olekaan palapelin osa vaan monimutkainen fraktaali, yhden ainoan yhtälön aikaansaama loputtoman monimutkainen ja yllätyksellinen kuvio. Kaiken Teoria on silloin olemassa, lopullinen selitys sille, miksi maailmankaikkeutemme on sellainen kuin se on, ja me voimme saada sen selville. Miksi? me kysymme, ja eräänä päivänä tiede vastaa meille: siksi. Tämä on se ainoa loogisesti mahdollinen Calabin-Yaun avaruus, tämä on maailmankaikkeudelle ainoa tapa olla olemassa, valoineen ja varjoineen.


Palapeli vai fraktaali, emme tiedä. On kuin seisoisimme myrskyisenä yönä pimeällä rannalla. Näemme vain aallonharjojen vaahdon, emme itse merta emmekä myrskyä, jonka tumma energia piiskaa kaiken liikkeeseen. Pimeä juttu, kaiken kaikkiaan.

Esko Valtaoja on Turun yliopiston avaruustähtitieteen professori.

Sisältö jatkuu mainoksen alla