Hiukkasfysiikan professori Brian Cox on maailman tunnetuimpia kosmologeja ja tieteen popularisoijia. Cox tuo pian Helsinkiin Horizons-esityksen, jossa hän kertoo uusimpien tutkimustulosten valossa muun muassa mustista aukoista ja universumin synnystä.
IS kysyi Coxilta, mitkä ovat hänen mielestään kaikkein suurimmat maailmankaikkeuden arvoitukset. Professorin mukaan se kaikkein suurin mysteeri on ajan ja avaruuden alku.
– Voimme esittää aivan perustavanlaatuisen kysymyksen: oliko universumilla alkua ajassa? Me emme tiedä vastausta, Cox kertoo IS:n haastattelussa.
– Tiedämme, että alkuräjähdys tapahtui ja että maailmankaikkeus oli hyvin kuuma ja tiheä 13,8 miljardia vuotta sitten, koska se on havaittu mittauksin. Mutta oliko se ajan alku tai onko edes mielekästä puhua alusta, sitä me emme tiedä. Yksi syy tähän on se, ettemme tiedä mitä aika on.
”Mutta oliko alkuräjähdys ajan alku tai onko edes mielekästä puhua alusta, sitä me emme tiedä.
Hiukkasfysiikan professori Brian Cox on tullut tunnetuksi tieteen popularisoijana.
Planck-satelliitin havainnoista koottu kuva kosmisesta taustasäteilystä, joka on jäänne universumin historian alkuvaiheesta. Kosminen taustasäteily todistaa, että maailmankaikkeus oli alussa kuuma ja tiheä.
Lue lisää: Nasa julkaisi aavemaisen ääniraidan – kuuntele tästä, miltä mustassa aukossa kuulostaa
Tutkijat ovat vasta hiljattain päässeet eteenpäin yrityksissä ymmärtää, onko avaruuden ja ajan rakennuspalikoita olemassa tai mitä ne voisivat olla. Havaitsemassamme todellisuudessa on siis piirteitä, joille ihmiskunnalla ei ole vielä edes käsitteitä.
– Mustien aukkojen tutkimus on johtanut meidät teoriaan, jota kutsutaan emergentiksi aika-avaruudeksi. Avaruus ja aika eivät itsessään ole perustavanlaatuisia ominaisuuksia, vaan ne rakentuvat jostakin syvemmästä, Cox selittää.
Emergentti tarkoittaa jostakin kokonaisuudesta nousevaa uutta ilmiötä tai ominaisuutta.
Mutta mistä syvemmästä ilmiöstä aika ja avaruus rakentuvat?
Coxin mukaan toistaiseksi vielä tuntemattomia rakennuspalikoita näyttää kuvaavan kvanttiteoria.
– Alamme ehkä ymmärtää, että kvanttien lomittumiseksi kutsuttu ilmiö muodostaa avaruuden ja ajan. Ymmärtämättä kuitenkaan paremmin näitä asioita emme voi esittää kovin todennäköisiä arvioita maailmankaikkeuden synnystä. Tämä on se kaikkein suurin arvoitus, professori sanoo.
Kvanttien lomittuminen tai kietoutuminen tarkoittaa ominaisuutta, jossa kaksi kvanttihiukkasta jakaa saman tilan, vaikka ne ovat fyysisesti erillään toisistaan.
Kvanttiteoria on normaalilla järjellä vaikeasti käsitettävä, sillä se ei vastaa arkirealismia.
”Kvanttiteoria on normaalilla järjellä vaikeasti käsitettävä, sillä se ei vastaa arkirealismia.
Brian Cox on tieteellisen työnsä ohessa toiminut muun muassa BBC:n tiedeohjelmien juontajana. Kuva Horizons-esityksestä.
Jo 1960-luvulla tutkijat päättelivät, että aika on emergentti ilmiö, joka johtuu kvanttien lomittumisen luonteesta ja esiintyy vain universumin sisällä oleville tarkkailijoille. Universumin ulkopuolella oleva teoreettinen tarkkailija näkee puolestaan vain staattisen ja muuttumattoman maailmankaikkeuden. Näin ajan kuluminen on ikään kuin illuusio.
Toinen suuri mysteeri on elämän synty.
– Haluaisimme lisää tietoa siitä, kuinka elämä saa alkunsa. Miten todennäköistä on, että jos elämää syntyy, siitä tulee yhtä monimutkaista kuin täällä Maassa? Erityisesti tarkoitan älykkään sivilisaation syntymistä, tietoisuuden ilmaantumista maailmankaikkeudessa. Me emme ymmärrä sitä prosessia kovin hyvin, professori Cox sanoo.
Ihmiskunta ei toistaiseksi ole löytänyt mitään merkkiä älykkään elämän esiintymisestä. Miksi sitä ei ole havaittu? Tämä on niin sanottu Fermin paradoksi.
Eivätkä universumin arvoitukset lopu tähän. Voiko valon nopeuden ylittää, professori Cox?
Albert Einstein oli saksanjuutalainen teoreettinen fyysikko, joka loi suhteellisuusteorian.
– Se on kiinnostava kysymys… Einstein julkaisi suppean suhteellisuusteoriansa vuonna 1905. Valon nopeus on rakennettu siihen sisään – se liittyy kiinteästi aika-avaruuden geometriaan, Cox sanoo.
– Ajatus universaalista kattonopeudesta ei ole sattumanvaraisesti keksitty, se on aivan keskeinen seikka suhteellisuusteorian johdonmukaisuuden kannalta. Tässä teoriassa valon nopeus on kytketty massattomien hiukkasten kuten fotonien olemassaoloon. Se on erottamaton osa teoriaa.
Havainnekuva madonreiästä, joka on aika-avaruuden kaareutumisen mahdollistama oikotie kahden pisteen välillä universumissa.
Yleinen suhteellisuusteoria sen sijaan on Einsteinin teoria painovoimasta. Siihen sisältyy ajatus aika-avaruuden kaareutuvuudesta.
– Voidaan ajatella, että aika-avaruus kaareutuu tavalla, joka mahdollistaa madonreiät – maailmankaikkeuden eri alueiden väliset oikotiet. Jos niitä on olemassa luonnossa, voi kahden pisteen välillä matkustaa nopeammin kuin valo.
Se merkitsisi myös matkustamista ajassa taaksepäin.
Jotta madonreikää voisi hyödyntää, sellainen pitäisi löytää tai muodostaa.
– Parhaan nykytiedon mukaan universumissa ei ole olemassa sellaista määrää ainetta ja energiaa, jonka avulla voitaisiin luoda matkustamisen mahdollistava aika-avaruuden geometria – siis vakaa madonreikä.
Ehkä on kuitenkin olemassa fysiikkaa, jota ihminen ei vielä ymmärrä.
Stephen Hawking päätteli 1990-luvun alussa, ettei aikamatkustus ole käytännössä mahdollista.
– Voimme toki kuvitella, että jokin hyvin pitkälle kehittynyt sivilisaatio voisi ehkä vakauttaa madonreiän ja tehdä siten aikakoneen.
Cox kertoo Stephen Hawkingin päätelleen 1990-luvun alussa, ettei aikamatkustus ole käytännössä mahdollista.
– Paras vastaus tähän kysymykseen on ehkä se, ettei meidän tuntemamme fysiikka salli aikakoneen rakentamista, mitä matkustaminen valoa nopeammin edellyttäisi.
Toistaiseksi ratkaisemattomia arvoituksia ovat myös pimeä aine ja pimeä energia. Näkyvän, meidän havaittavissamme olevan aineen osuus kaikesta maailmankaikkeuden massasta on vain pieni – suurin osa, ehkä jopa 80 prosenttia, on niin sanottua pimeää ainetta.
Coxin mukaan pimeän aineen arvoituksen ratkaiseminen on lähempänä kuin pimeän energian.
”Voimme toki kuvitella, että jokin hyvin pitkälle kehittynyt sivilisaatio voisi ehkä vakauttaa madonreiän ja tehdä siten aikakoneen.
Sveitsissä sijaiteva LHC-hiukkaskiihdytin törmäyttää toisiinsa hiukkassuihkuja, jotka kulkevan vastakkaisiin lähes valon nopeudella. Tulosten toivotaan paljastavan pimeän aineen arvoituksen.
Lue lisää: Tässä on ensimmäinen kuva Linnunradan keskustan mustasta aukosta
– Näyttää siltä, että pimeä aine muodostuu olemassa olevasta hiukkasesta, jota ei ole vielä löydetty. Huomaa siis, että ei ole vielä löydetty. Teoria hiukkasesta saattaa siis olla väärässä. Mutta ainakin meillä on jonkinlainen kuva siitä, mitä pimeä aine voisi olla, Cox sanoo.
– Pimeä energia on syvempi ja kiehtovampi kysymys. Se voi liittyä itse avaruuden olemukseen...Molemmat ovat avoimia kysymyksiä, joihin ei vielä voida vastata, ja siten suuria arvoituksia.
Mahdollisia pimeän aineen hiukkasia etsitään muun muassa Sveitsissä sijaitsevan LHC-hiukkaskiihdyttimen avulla. Ennen LHC:n käynnistämistä tutkijat puhuivat supersymmetriasta: meidän tuntemiemme alkeishiukkasten vastinpareista.
– Teoria supersymmetriasta kehitettiin jo kauan sitten. Se ennustaa kokonaisen uuden perheen uusia hiukkasia, joita ei ole vielä havaittu. Monet fyysikot ovat odottaneet, että olisimme nähneet merkkejä niistä LHC:ssa, mutta näin ei ole. Se on kiinnostavaa, Cox sanoo.
Ei siis ole edelleenkään varmaa, että supersymmetrisiä hiukkasia on olemassa.
– Useimmat fyysikot, joiden kanssa keskustelen, ovat yhä sitä mieltä, että supersymmetrialla on ilmiasunsa luonnossa, mutta ei ehkä sillä energiatasolla, jolla pääsisimme tutkimaan sitä LHC:ssä.
LHC on nyt tauolla, mutta se käynnistetään kohta uudelleen. Uutta tutkimustietoa aiheesta on siis ehkä luvassa.
”James Webb on herkin koskaan rakennettu teleskooppi, ällistyttävä instrumentti.
Tämä James Webb -teleskoopin kuva on syvin ja terävin infrapuna-alueen kuva universumista tähän saakka. Kaukaisin kuvassa näkyvä valo on matkustanut Maahan 13,1 miljardia vuotta.
Horizon-esityksessä Cox käyttää uusinta ja parasta saatavilla olevaa tutkimustietoa. Osa siitä on julkaistu vasta viime vuonna.
– Käytämme esityksessä myös James Webb -avaruusteleskoopin kuvia.
James Webb on Yhdysvaltain avaruushallinnon Nasan laukaisema teleskooppi, joka toimii infrapuna-alueella. Sen ensimmäiset kuvat julkaistiin viime kesänä.
Tutkijat odottavat uudelta työkalulta paljon.
– Sen avulla voidaan analysoida eksoplaneettojen kaasukehää. Tähän se on kaikkein suorin keino tehdä havaintoja. Jos James Webb löytää suuria pitoisuuksia happea jonkin kiviplaneetan kaasukehästä, se viittaisi fotosynteesiin. En usko, että 10–20 prosentin osuudelle happea löytyisi muuta uskottavaa selitystä.
Fotosynteesin esiintyminen kertoisi, että planeetalla on elämää.
James Webb on Yhdysvaltain avaruushallinnon Nasan laukaisema teleskooppi, joka toimii infrapuna-alueella.
James Webb voi myös katsella hyvin syvälle universumiin, ja siten hyvin pitkälle taaksepäin ajassa.
– Se on infrapunateleskooppi, joka pystyy tähän tehokkaammin kuin Hubble. Se suunniteltiin tutkimaan ensimmäisten tähtien ja galaksien muodostumista. Meillä on siitä hyviä teorioita, mutta kun James Webbin aineistoa alkaa tulla tutkijoiden käytettäväksi, voimme testata noita teorioita. Me olemme jo nähneet paljon kiinnostavaa, esimerkiksi odotettua varhaisemmin syntyneitä galakseja. Se on hyvin kiinnostavaa, Cox sanoo.
– James Webb on herkin koskaan rakennettu teleskooppi, ällistyttävä instrumentti. Koskaan ei tiedä, mitä se löytää. Hubblen tavoin se voi tehdä mahtavia uusia löytöjä.
Musiikki on keskeinen elementti Coxin esityksessä.
– Minulle tuottaa suurta iloa se, että esityksen tärkein musiikkikappale on Sibeliuksen viidennen sinfonian kolmas osa. Se avaa esityksen.
”Sibeliuksen viidennen sinfonian kolmas osa on spirituaalinen kappale, jonka teemana on luonnon kauneus, monimuotoisuus ja arvoituksellisuus. Kuuntelin sitä hyvin tarkasti.
Jean Sibeliuksen musiikki on tärkeässä osassa Horizons-esitystä.
Cox keskusteli esityksen musiikista ystävänsä, orkesterinjohtaja Daniel Hardingin kanssa.
– Kysyin häneltä ihan vitsinä, että mitä musiikkia Stanley Kubrickin olisi pitänyt käyttää elokuvan 2001: Avaruusseikkailu alussa. Ja hän sanoi: Sibeliuksen viidennen sinfonian kolmatta osaa.
Sibeliuksen viides on Coxin mukaan monikerroksinen sävellys, joka kuvaa luontoa.
– Sillä on myös toinen taso: se on spirituaalinen kappale, jonka teemana on luonnon kauneus, monimuotoisuus ja arvoituksellisuus. Kuuntelin sitä hyvin tarkasti. Eräällä tavalla se ei ainoastaan esitä kysymyksiä kosmologiasta vaan se myös vastaa niihin kertomalla meidän paikastamme luonnossa ja laajemmin koko maailmankaikkeudessa, Cox sanoo.
Sinfonian lopullinen versio valmistui vuonna 1919. Näin Sibelius itse kuvaili sitä päiväkirjassaan luomistyön aikana:
”Ikään kuin Isä Jumala olisi viskannut mosaiikinpalasia taivaan permannosta ja pyytänyt minua selvittämään, millainen kuvio on ollut.”
