Kysymys maailmankaikkeuden evoluutiosta on herättänyt kiivasta keskustelua koko fysiikan historian ajan. 1900-luvun alussa kaksi tutkijaryhmää otti yhteen: toisaalta ne, jotka uskoivat vakaaseen, ikuisesti olemassa olevaan maailmankaikkeuteen, ja toisaalta fyysikot, jotka kannattivat primaarisen atomin mallia, joka oli edeltäjänä nykyiselle suurten räjähdysten teoriallamme.
Sisällysluettelo
1900-luvulla kosmologia koki vallankumouksen kahden kilpailevan kosmoksen käsityksen vaikutuksesta. Toisaalta Georges Lemaître esitti ”alkuperäisen atomin” hypoteesin, joka oli edeltäjänä Suurelle alkuräjähdykselle ja jonka mukaan maailmankaikkeudella oli historia ja alku. Toisaalta Fred Hoyle, Thomas Gold ja Herman Bondi esittivät vuonna 1948 vaihtoehtoisen mallin: stationaarisen tilan mallin, jossa maailmankaikkeuden laajeneminen pysyy suuressa mittakaavassa vakiona jatkuvan aineen syntymisen ansiosta.
Tämä teoria herätti huomiota eleganssillaan: se vältti ajatuksen absoluuttisesta alusta ja herätti henkiin antiikin Kreikasta peräisin olevat filosofiset intuitiot avaruuden ikuisuudesta ja muuttumattomuudesta. Pian se kuitenkin testattiin havainnoilla. Tämän kiehtovan teorian romahtaminen tuli laajasti keskustelluksi tieteellisessä keskustelussa, joka lopulta johti Georges Lemaîtren primaarisen atomin mallin voittoon.
Stationaarisen tilan malli: ikuinen ja muuttumaton maailmankaikkeus
Vuonna 1948 Fred Hoyle, Thomas Gold ja Herman Bondi esittivät stationaarisen kosmologisen mallin. Heidän lähestymistapansa perustui kahteen perusperiaatteeseen. Ensinnäkin ihanteelliseen kosmologiseen periaatteeseen: Maailmankaikkeus on paitsi homogeeninen ja isotrooppinen avaruudessa (mikä tarkoittaa, että suuressa mittakaavassa se osoittaa samoja ominaisuuksia jokaisessa pisteessä ja kaikissa havainto-suunnissa, ilman etuoikeutettua sijaintia tai suuntaa), myös homogeeninen ajassa (sen ominaisuudet ovat kokonaisuudessaan samat kaikissa ajankohdissa). Toiseksi ne olettavat, että materiaa syntyy jatkuvasti kompensoimaan Hubblen havaitsemaa maailmankaikkeuden laajenemista; materiaa syntyy jatkuvasti hyvin hitaasti (noin yksi vetyatomi kuutiometrissä joka miljardi vuotta).
Tämä malli välttää kysymyksen maailmankaikkeuden alkuperästä ja siten filosofisen ja tieteellisen kysymyksen jonkin luomisesta tyhjästä. Se tarjoaa elegantin, staattisen, laajamittaisen mallin, jossa maailmankaikkeudella ei ole alkua eikä loppua. Filosofisesta näkökulmasta se on sopusoinnussa ajatuksen kanssa, että avaruus on ikuinen, joka oli yleinen tiedemiesten keskuudessa antiikista 1700-luvulle saakka ja jota jo stoalaiset ja Aristoteles kannattivat. On huomionarvoista, että Aristoteles kyseenalaisti maailmankaikkeuden rajat ja hylkäsi ajatuksen äärettömyydestä pitäen sitä fyysisesti mahdottomana.
Miksi stationaarisen tilan malli osoittautui niin houkuttelevaksi?
Stationaarinen malli on jo pitkään nauttinut tiettyä arvovaltaa useista syistä. Ensinnäkin sen filosofinen yksinkertaisuus, josta juuri puhuimme, sekä sen matemaattinen vakaus, koska se perustuu yksinkertaisiin ratkaisuihin kosmologisista yhtälöistä, jotka Einstein muotoili yleisessä suhteellisuusteoriassaan. Lopuksi se on houkutteleva myös tieteellisen estetiikkansa vuoksi: ajassa muuttumattomassa maailmankaikkeudessa se näyttää harmoniselta ja ennustettavalta.
Näin ollen stationäärinen malli oli täysin perusteltu. Varmistuneena teoriastaan juuri Fred Hoyle halusi pilkata ja nauraa kilpailevalle primaarisen atomin mallille, jota hän piti absurdinä, ja otti käyttöön termin ”suuri alkuräjähdys” BBC:n radio-ohjelmassa vuonna 1949. Ja kuitenkin…
Lemetrénin primaarisen atomin malli: Suuren alkuräjähdyksen edelläkävijä
Jo ennen kuin Suuren alkuräjähdyksen teoria muotoiltiin nykyisessä muodossaan, belgialainen pappi ja fyysikko Georges Lemetrén esitti vuonna 1931 rohkean hypoteesin: primääristen atomien mallin . Sen mukaan maailmankaikkeus syntyi ”kosmisen atomin” romahduksen seurauksena – tiheän ja kuuman alkupisteen, avaruuden laajenemisen lähteen. Näin hän saattoi päätökseen mallin, jonka hän oli alkanut kehittää jo vuonna 1927 olettaen, että maailmankaikkeus laajenee.
Lemaitre tukeutui Einsteinin yhtälöiden dynaamisiin ratkaisuihin ja Edwin Hubblen, amerikkalaisen tähtitieteilijän, joka löysi kaukaiset galaksit, havaintoihin. Hän kuvitteli laajenevan maailmankaikkeuden, mutta sellaisen, jonka menneisyys oli sekä fyysinen että alkanut. Lemaitre kuvitteli primaarisen atomin ytimenä, joka sisälsi kaiken maailmankaikkeuden aineen ja jonka hajoaminen aiheutti kosmoksen laajenemisen. Hän tulkitsi äskettäin löydetyt kosmiset säteet tämän alkuperäisen hajoamisen jäänteiksi. Tämä hypoteesi osoittautui virheelliseksi, koska ne ovat itse asiassa peräisin astrofysikaalisista ilmiöistä, jotka tapahtuvat paikallisessa kosmologisessa ympäristössämme .
Toisin kuin Hoyle, hän hyväksyy ajatuksen alkuperästä, joka ei liity mihinkään uskonnolliseen luomiseen, jota hän pappina pitää filosofisena käsitteenä eikä konkreettisena tapahtumana. Primitiivisen atomin malli on suora edeltäjä sille, mikä myöhempien löytöjen ansiosta tuli tunnetuksi suurena alkuräjähdyksen mallina, joka sai laajaa tunnustusta erityisesti havainnointiensa ennusteiden ansiosta.
Havainnot verrattuna stationääriseen tilaan
Alkuperäisestä houkuttelevuudestaan huolimatta stationaarisen tilan malli alkoi pettää yhä tarkempien tietojen vaikutuksesta. Suurin järkytys tapahtui vuonna 1964, kun Arno Penzias ja Robert Wilson löysivät sattumalta meluisan radiosignaalin, joka tuli kaikista havainto-suunnista. Tämä kohina, jota kutsutaan reliktisäteilylle, on itse asiassa reliktisäteilyä, jonka hyvin nuori maailmankaikkeus on jättänyt jälkeensä, kuten suurten räjähdysten teorian kannattajat olivat ennustaneet. Tasapainotilan malli ei kuitenkaan pysty selittämään tällaista reliktisäteilyä. Vuonna 1965 löydetty reliktisäteily on todennäköisin todiste suuresta alkuräjähdyksestä. Sen yksityiskohtia tutkittiin myöhemmin satelliiteilla COBE (1992), WMAP (2003) ja Planck (2009).
Muut vihjeet viittaavat samaan: kaukaiset galaksit, joiden kuvat ovat saavuttaneet meidät nuoruudessaan, näyttävät erilaisilta kuin nykyiset. Lisäksi kvasaarit, hyperaktiivisten galaksien ytimet, olivat paljon lukuisampia menneisyydessä kuin nykyään . Nämä erot viittaavat siihen, että maailmankaikkeus kehittyy poiketen stationaarisesta mallista.
Lopuksi, alkuräjähdysteoria ennustaa suurella tarkkuudella ensimmäisinä minuutteina muodostuneiden kevyiden alkuaineiden (helium, deuterium, litium) suhteet. Nykypäivään säilyneiden fossiilisten alkuaineiden mittaukset vahvistavat nämä luvut. Staattisen tilan malli, joka ei sisällä alkuperäistä kuumaa ja tiheää vaihetta, ei pysty selittämään niitä.
Nykyaikaisen kosmologian kehitys
Nämä havainnot huomioon ottaen tiedeyhteisö on vähitellen hyväksynyt suurten räjähdysten mallin standardiksi. 1990-luvulla Fred Hoyle, joka ei halunnut luopua hypoteesistaan, ehdotti kuitenkin niin sanottua kvasi-stasionaarista mallia, joka kuitenkin pysyi marginaalisena.
Nykyään ΛCDM-malli (Lambda Cold Dark Matter), laajennettu versio suuresta alkuräjähdyksestä, joka sisältää kosmologisen vakion – ajatuksen pienestä tyhjiön energiasta, joka on kaikkialla sama ja joka aiheuttaa paineen, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista – pidetään kattavimpana mallina maailmankaikkeuden evoluution kuvaamiseksi. Einstein esitti sen vuonna 1917 vastapainoksi gravitaation vaikutukselle maailmankaikkeudessa, jota hän itse piti staattisena. Se on otettu uudelleen käyttöön nimellä ”pimeä energia” selittämään havaittua kiihtyvyyttä, ja sitä pidetään kattavimpana mallina maailmankaikkeuden evoluution kuvaamiseksi.
Staattisen tilan malli on tyypillinen esimerkki teoreettisesta eleganssista, joka kontrastoi kokeellisen tiukkuuden kanssa. Tämä polemiikki on herättänyt kiistoja, innoittanut matemaattisia tutkimuksia ja auttanut ymmärtämään paremmin, mikä on hyvä tieteellinen teoria: yksinkertainen, todennettavissa oleva ja ennen kaikkea falsifioitavissa oleva.
Se muistuttaa meitä myös siitä, että tiede kehittyy ei dogmien kautta, vaan kosketuksessa kosmoksen todellisuuden kanssa. Ja vaikka jotkut teoriat, kuten mallintaminen tai moniulotteinen maailmankaikkeus, leikkivät nyt sen rajoilla, mitä voimme todentaa, ne jatkavat tuhatvuotista perinnettä: yrittää ymmärtää sitä, mikä on aina ollut ymmärryksemme ulottumattomissa.
