Brian Greene: Onko universumimme ainoa universumi?

Muutama kuukausi sitten fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin kahdelle astronomiryhmälle löydöstä, jota on ylistetty yhdeksi tärkeimmistä tähtitieteellisistä havainnoista. Kuvattuani lyhyesti heidän löytöään kerron erittäin kiistanalaisesta viitekehyksestä löydön selittämiseksi, mahdollisuudesta, että kaukana Maasta, Linnunradasta ja muista kaukaisista galakseista, voi löytyä todisteita siitä, ettei universumimme ole ainoa, vaan osa valtavaa universumikokonaisuutta, jota kutsutaan multiversumiksi.

Idea multiversumista on outo. Useimmat on kasvatettu uskomaan, että sana "universumi" tarkoittaa kaikkea. Sanon tarkoituksella 'useimmat meistä', koska nelivuotias tyttäreni on kuunnellut minua syntymästään saakka. Viime vuonna hän oli sylissäni ja sanoin: "Sophia, rakastan sinua eniten universumissa." Hän kääntyi puoleeni sanoen: "Iskä, universumissa vai multiversumissa?" (Naurua)

Ilman tällaista poikkeavaa kasvatusta on outoa kuvitella ulkopuolisia maailmoja, useimmat täysin eri piirteineen, joita oikeutetusti kutsuttaisiin omiksi universumeikseen. Vaikka idea varmasti onkin spekulatiivinen, tarkoitukseni on vakuuttaa, että se kannattaa ottaa vakavasti, koska se voi pitää paikkansa. Kertomukseni multiversumista on kolmiosainen. Ensiksi kuvailen palkittuja tuloksia korostaen syvällistä mysteeriä, jonka tulokset paljastivat. Toiseksi esitän ratkaisua mysteeriin. Se perustuu säieteoriaan, josta multiversumin idea tulee mukaan. Lopuksi, kolmas osa kuvaa inflaatioksi kutsuttua kosmologista teoriaa, joka kokoaa palaset yhteen.

Okei, osa yksi alkaa vuonna 1929, kun suuri tähtitieteilijä Edwin Hubble tajusi, että kaikki kaukaiset galaksit syksyivät pois luotamme, osoittaen avaruuden itsensä venyvän ja laajenevan. Vallankumouksellista. Vallinneen viisauden mukaan koko universumi oli staattinen. Mutta silti kaikki olivat varmoja yhdestä asiasta: Kasvun täytyy olla hidastumassa. Samoin kuin maan vetovoima hidastaa ylöspäin heitetyn omenan nousua, kaikkien galaksien välisen vetovoiman on pakko hidastaa avaruuden laajenemista.

Tehdään pikakelaus 1990-luvulle, jolloin kaksi mainitsemaani astronomiryhmää innostui ajatuksesta mittaamaan nopeuden, jolla laajeneminen on hidastunut. He tekivät sen havainnoimalla tunnollisesti lukuisia kaukaisia galakseja, joiden avulla kartoitettiin laajenemisvauhdin muutoksia ajan myötä. Tässä yllätys: He havaitsivat, ettei laajeneminen ole hidastumassa. Sen sijaan he huomasivat, että se kiihtyy yhä nopeammin. Kuin heittäisi omenan ylöspäin ja se nousisi yhä nopeammin. Jos omenalle kävisi näin, haluaisi tietää syyn. Mikä sitä työntää?

Heidän tuloksensa ansaitsivat varmasti Nobel-palkinnon, mutta herättivät samankaltaisen kysymyksen. Mikä voima saa kaikki galaksit loittonemaan toisistaan yhä vinhempaa vauhtia? Lupaavin vastaus tulee Einsteinin vanhasta ideasta. Painovoimaa on totuttu pitämään voimana, joka vetää kappaleita yhteen. Einsteinin painovoimateoriassa, yleisessä suhteellisuusteoriassa, painovoima voi myös työntää kappaleita erilleen.

Miten? Einsteinin matematiikan mukaan, jos näkymätön energia täyttää avaruuden tasaisesti, yhtenäisen, näkymättömän sumun tavoin, sumun synnyttämä painovoima työntäisi kappaleita erilleen, mitä tarvitaankin havaintojen selittämiseen. Koska avaruuden näkymättömän energian työntövoima -- pimeäksi energiaksi kutsuttu, kuvassa savunvalkoinen, jotta sen näkisi -- sen erilleen työntävä voima saisi kaikki galaksit hylkimään toisiaan laajenemista nopeuttaen, ei hidastaen. Tämä selitys on suuri edistysaskel.

Mutta lupasin mysteerin osassa yksi. Tässä se on. Kun astronomit selvittivät, kuinka paljon pimeää energiaa avaruuden täytyy pitää sisällään, jotta se selittäisi kosmisen laajenemisen. Mitä he löysivätkään? Luku on pieni. Oikeassa yksikössä ilmaistuna se on äärimmäisen pieni. Mysteeri on merkillisen luvun selittäminen. Luvun halutaan seuraavan fysiikan laeista, mutta toistaiseksi se on jäänyt selvittämättä.

Joku voi miettiä, onko sillä väliä. Ehkä luvun selittäminen on vain tekninen kysymys, asiantuntijoita kiinnostava tekninen yksityiskohta, vailla merkitystä kenellekään muulle. Se on varmasti tekninen yksityiskohta, mutta joillakin yksityiskohdilla on merkitystä. Jotkut avaavat ikkunoita todellisuuden kartoittamattomiin valtakuntiin, ja tuo erikoinen luku voi olla juuri sellainen. Toistaiseksi ainoa lähestymistapa, joka on edistänyt sen selvittämistä, nostaa esiin muiden universumeiden mahdollisuuden -- idean, joka luonnollisesti kumpuaa säieteoriasta, mikä vie osaan kaksi: säieteoria.

Pidetään pimeän energian mysteeri takaraivossa, kun kerron kolme keskeistä asiaa säieteoriasta. Ensinnäkin, mikä se on? Tämä lähestymistapa toteuttaa Einsteinin unelman fysiikan yhtenäisteoriasta, yhdestä kaikenkattavasta paradigmasta, joka voisi kuvata universumin kaikki voimat. Säieteorian keskeinen idea on varsin yksinkertainen. Jos tutkitaan mitä tahansa ainetta yhä tarkemmin, löytyy ensin molekyylejä, sitten atomeja ja niitä pienempiä hiukkasia. Teoria sanoo, että jos pystyisi tutkimaan paljon pienempiä hiukkasia kuin nykyteknologialla, niiden sisältä löytyisi jotain muuta -- pienen pieniä väriseviä energiasäikeitä, pikkuruisia väriseviä jousia. Viulun kielten lailla ne voivat värähdellä eri muodoin, eri säveliä tuottaen. Kun nämä pienet perussäikeet värähtelevät eri tavoin, ne tuottavat erilaisia hiukkasia-- elektronit, kvarkit, neutriinot, fotonit ja muut hiukkaset yhdistyvät yhdeksi kokonaisuudeksi, koska ne kaikki syntyvät säikeiden värähtelystä. Kiehtova mielikuvakuva, eräänlainen kosminen sinfonia, jossa ympäröivän maailman ylenpalttinen runsaus syntyy musiikista, jota pienet jouset soittavat.

Tällä elegantilla yhdistymisellä on hintansa, koska vuosien tutkimukset ovat osoittaneet, että säieteorian matematiikka ei oikein toimi. Siinä on sisäisiä epäjohdonmukaisuuksia, ellemme salli jotain täysin tuntematonta -- tilan lisäulottuvuuksia. Kaikki tuntevat kolme tavallista ulottuvuutta. Niitä voi ajatella korkeutena, leveytenä ja syvyytenä. Säieteorian uskomattoman pienessä mittakaavassa on lisäulottuvuuksia niin pieneen kokoon puristuneena, ettei niitä ole löydetty. Vaikka ulottuvuudet ovat piilossa, ne vaikuttavat asioihin, joita voimme havaita, koska lisäulottuvuuksien muoto rajoittaa säikeiden värähtelyä. Säieteoriassa värähtely määrää kaiken. Hiukkasmassat, voimien vahvuudet ja ennen kaikkea pimeän energian määrä riippuisi lisäulottuvuuksien muodosta. Jos tiedettäisiin lisäulottuvuuksien muoto, pitäisi voida laskea nämä piirteet, pimeän energian määrä.

Haasteena on se, ettei tunneta lisäulottuvuuksien muotoa. On vain joukko mahdollisia muotoja, jotka matematiikka sallii. Kun näitä ideoita vasta kehiteltiin, ehdolla oli viitisen eri muotoa, joten voi kuvitella niitä analysoitavan yksi kerrallaan, jotta voisi päätellä, tuottaako joku havaitsemiamme fysikaalisia piirteitä. Ajan mittaan joukko kasvoi, kun tutkijat löysivät muita mahdollisia muotoja. Viidestä luku kasvoi satoihin ja sitten tuhansiin -- suuri, mutta vielä hallittava joukko analysoitavaksi, koska tarvitsevathan jatko-opiskelijatkin jotain tekemistä. Määrä jatkoi kasvuaan miljooniin ja miljardeihin. Muotoehdokkaiden joukko on ripeästi kivunnut noin 10 potenssiin 500.

Mitä tehdä? Jotkut tutkijat ovat luovuttaneet ja päätelleet, että lisäulottuvuuksille oli ehdolla niin monia muotoja, jotka kaikki synnyttävät erilaisia fysikaalisia piirteitä, ettei säieteoria koskaan antaisi lopullisia, testattavissa olevia ennusteita. Toiset käänsivät asian päälaelleen ja esittivät multiversumin mahdollisuutta. Idea on tämä. Ehkä kaikki muodot ovat tasavertaisia keskenään. Jokainen on yhtä todellinen siinä mielessä, että on olemassa monta universumia, lisäulottuvuuksien eri muotoineen. Tämä radikaali ehdotus vaikuttaa merkittävästi mysteeriin: palkittujen tulosten paljastamaan pimeän energian määrään.

Toisin sanoen, jos muita universumeita on olemassa ja jos niillä kaikilla on erilainen muoto lisäulottuvuuksille, niin jokaisen universumin fysikaaliset piirteet ovat erilaiset, ja erityisesti, kukin universumi sisältää pimeää energiaa eri määrän. Mikä tarkoittaa, että mysteeri pimeän energian määrän selvittämisestä saisi täysin erilaisen luonteen. Tässä yhteydessä fysiikan lait eivät voi antaa yhtä lukua pimeälle energialle, koska ei ole vain yhtä lukua, vaan monia lukuja. Mikä tarkoittaa, että on kysytty väärä kysymys. Pitäisi kysyä, miksi me ihmiset elämme universumissa, jossa on tietty määrä pimeää energiaa, emmekä jossain muussa mahdollisessa universumissa.

Tässä asiassa on mahdollista edistyä. Koska universumeissa, joissa on paljon enemmän pimeää energiaa kuin omassamme, materian pyrkiessä kasautumaan galakseiksi, pimeän energian työntövoima on niin vahva, että se hajottaa kasauman, eikä galakseja synny. Universumit, joissa on paljon vähemmän pimeää energiaa, luhistuvat niin nopeasti, ettei galakseja taaskaan muodostu. Ilman galakseja ei ole tähtiä tai planeettoja, eikä omaa elämänmuotoamme voi esiintyä muissa galakseissa.

Elämme universumissa, jossa on tietty määrä pimeää energiaa, vain siksi, että universumimme olot ovat otolliset omalle elämänmuodollemme. Asia pihvi. Mysteeri ratkaistu. Multiversumi löydetty. Jotkut pitävät selitystä epätyydyttävänä. On totuttu fysiikkaan, joka selittää havaitut piirteet lopullisesti. Ratkaisevaa on, että jos havaittava piirre voi saada, ja saa, hyvin erilaisia arvoja laajemmassa todellisuusmaisemassa, niin yhden selityksen antaminen tietylle arvolle on selvä virhe.

Vanha esimerkki suuresta astronomista Johannes Kepleristä, joka yritti pakkomielteisesti ymmärtää eri lukua -- miksi Aurinko on 150 miljoonan km:n päässä Maasta. Hän puursi vuosikymmeniä selitystä etsien, mutta ei koskaan onnistunut. Syy tiedetään. Kepler esitti väärän kysymyksen.

Nyt tiedetään, että monien planeettojen etäisyys isäntätähdestään vaihtelee suuresti. Toive, että fysiikan lait selittävät yhden tietyn luvun, 150 miljoonaa kilometriä, on yksinkertaisesti älytön. Oikea kysymys on, miksi me ihmiset elämme juuri tällä etäisyydellä olevalla planeetalla, emmekä millään muulla. Tähän kysymykseen voidaan vastata. Auringon kaltaista tähteä lähempänä olevat planeetat olisivat niin kuumia, ettei omanlaistamme elämää olisi. Paljon etäisemmät planeetat olisivat niin kylmiä, ettei oma elämänmuotomme juurtuisi niille. Niinpä elämme tällä tietyllä planeetalla, koska se luo elinkelpoiset olot omalle elämänmuodollemme. Planeettojen ja niiden etäisyyksien suhteen tämä on juuri oikea ajattelutapa. Tarkoitan, että myös universumien ja niiden pimeän energian suhteen se voi olla oikea tapa ajatella.

Tärkeä ero on tietenkin, että muiden planeettojen olemassaolo tiedetään, mutta toistaiseksi olen vain spekuloinut muiden universumien mahdollisuudella. Tiivistäen, tarvitaan mekanismi, joka voi tosiaan luoda muita universumeja. Tästä pääsen viimeiseen, kolmanteen osaan. Alkuräjähdyksen ymmärtämiseen pyrkivät kosmologit ovat löytäneet sellaisen mekanismin. Kun puhutaan alkuräjähdyksestä, kuvitellaan usein jonkinlainen kosminen räjähdys, joka loi universumimme ja sai avaruuden rajuun kasvuun.

Mutta on pieni salaisuus. Alkuräjähdyksestä puuttuu jotain melko tärkeää, räjähdys. Teoria kertoo, kuinka universumi kehittyi räjähdyksen jälkeen, mutta ei mitään siitä, mikä voima olisi aloittanut itse räjähdyksen. Tämän aukon täytti lopulta alkuräjähdysteorian parannettu versio. Sitä kutsutaan kosmiseksi inflaatioksi, joka paljasti erityislaatuisen polttoaineen, joka synnyttäisi luonnollisesti avaruuden laajenemisen. Polttoaine perustuu niin sanottuun kvanttikenttään, mutta ainoa merkittävä yksityiskohta on, että polttoaine osoittautuu niin tehokkaaksi, että on lähes mahdotonta käyttää sitä loppuun, mikä tarkoittaa inflaatioteoriassa, että universumimme synnyttänyt alkuräjähdys ei todennäköisesti ole ainoa laatuaan. Polttoaine ei luonut vain meidän alkuräjähdystämme, vaan myös lukemattomia muita alkuräjähdyksiä, joista jokainen pani alulle erillisen universumin, ja universumistamme tuli vain kupla suureen kosmiseen universumien vaahtokylpyyn.

Kun tämä yhditetään säieteoriaan, päädymme tähän kuvaan. Jokaisella universumilla on lisäulottuvuuksia. Ne saavat monia eri muotoja. Eri muodot tuottavat erilaisia fysikaalisia piirteitä. Elämme omassa universumissamme vain siksi, että ainoastaan siinä pimeän energian määrän kaltaiset fysikaaliset piirteet sopivat meidänlaisemme elämän juurtumiseen. Kiehtova, mutta hyvin kiistanalainen kuva laajemmasta kosmoksesta, jota huippuluokan havainnot ja teoria ovat panneet vakavasti harkitsemaan.

Jää tietysti yksi suuri kysymys: voidaanko muiden universumien olemassaoloa koskaan varmistaa? Kerron yhdestä keinosta, joka voisi jonain päivänä toteutua. Tehdyt havainnot tukevat jo vahvasti inflaatioteoriaa. Teorian mukaan alkuräjähdys olisi ollut niin voimakas, että avaruuden laajetessa nopeasti, pieniä mikromaailman värinöitä olisi levinnyt makromaailmaan tuottaen yksilöllisen sormenjäljen, hieman kuumempia ja hieman kylmempiä pisteitä avaruudessa, jotka on nyt havaittu tarkoilla teleskoopeilla. Jos on olemassa muita universumeita, teoria ennustaa, että aina silloin tällöin universumit voivat törmätä. Jos universumiimme törmäisi toinen, se synnyttäisi avaruuteen lämpötilavaihteluiden hienoisen lisäkuvion, joka voitaisiin havaita jonain päivänä. Vaikka näkemys on eksoottinen, se voi jonain päivänä perustua havaintoihin ja todistaa muiden universumien olemassaolon.

Päätän puheenvuoroni näiden ideoiden merkillisiin seurauksiin kaukana tulevaisuudessa. Saimme tietää, ettei universumimme ole staattinen, vaan kiihtyvästi laajeneva, ja että muita universumeita voi olla olemassa, tutkimalla huolella tähtien valon heiveröisiä, pikkuriikkisiä pisteitä, jotka tulevat kaukaisista galakseista. Koska kasvu kiihtyy hyvin kaukana tulevaisuudessa, galaksit ajautuvat nopeasti niin laajalle, ettei niitä voi nähdä -- ei teknisten rajoitusten, vaan fysiikan lakien takia. Galaksien säteilemä valo, joka kulkee suurinta eli valon nopeutta, ei voi ylittää yhä syvenevää kuilua välillämme. Kaukana tulevaisuudessa syvää avaruutta tarkkailevat astronomit näkevät vain loputonta, staattista, sysimustaa hiljaisuutta. He päätyvät staattiseen, muuttumattomaan universumiin, jonka keskellä on vain yksi materiakeidas, jota he asuttavat -- kuva kosmoksesta, joka tiedetään ehdottoman vääräksi.

Ehkä tuleville astronomeille on jäänyt tietoja aikaisemmalta aikakaudelta, kuten meiltä, jotka viittaavat laajenevaan, galakseja kuhisevaan kosmokseen. Mutta uskoisivatko tulevat astronomit tuollaisiin muinaisiin tietoihin? Vai uskoisivatko he tyhjään, mustaan ja staattiseen universumiin, jonka heidän huipputekniset havaintonsa paljastavat? Epäilen jälkimmäistä. Mikä tarkoittaa, että elämme erittäin etuoikeutettua aikakautta, jolloin syvällisiä totuuksia kosmoksesta on vielä ihmisen tutkivan mielen ulottuvilla. Näin ei ehkä aina tule olemaan. Koska nykypäivän tähtitieteilijät, suuntaamalla voimakkaita teleskooppeja taivaalle, ovat siepanneet kourallisen hyvin informatiivisia fotoneja -- eräänlaisen kosmisen sanoman miljardien vuosien takaa. Aikojen takaa kaikuva viesti on selkeä. Joskus luonto vartioi salaisuuksiaan fysiikan lakien rautaisella otteella. Joskus todellisuuden aito olemus näyttäytyy juuri ja juuri horisontin takaa.

Kiitoksia paljon.

(Suosionosoituksia)

Chris Anderson: Kiitos, Brian. Esittämiesi ajatusten kaari on huikea, innostava ja uskomaton. Mikä on mielestäsi kosmologian nykytila, historiallisesti ajateltuna? Elämmekö jotenkin epätavallista aikaa?

BG: Vaikea sanoa. Kun tiedämme, että aikojen päästä astronomeilla ei ehkä ole tarpeeksi tietoa selvittää asioita, voi luonnollisesti kysyä, olemmeko jo siinä vaiheessa, että tietyt universumin syvät ja ratkaisevat piirteet ovat karanneet ymmärryksemme ulkopuolelle, kosmoksen muuttumisen takia. Tästä näkökulmasta tulemme ehkä aina kyselemään, kykenemättä koskaan täysin vastamaan niihin.

Toisaalta ymmärrämme nyt, kuinka vanha kaikkeus on. Voimme ymmärtää mikroaaltotaustasäteilyä, joka alkoi 13,72 miljardia vuotta sitten -- voimme vielä tehdä laskelmia ja pitäviä ennusteita. Voi pyhä sylvi! Ihan mahtavaa. Olemme päässeet uskomattoman pitkälle, mutta kuka tietää, mitä esteitä tulevaisuus voi tuoda.

CA: Olet paikalla lähipäivinä. Ehkä keskustelut voivat jatkua. Paljon kiitoksia, Brian. (BG: Eipä kestä.)

(Suosionosoituksia)