Aikamatkalla avaruudessa

Lähtö ”Asemalta nolla” oli aikoinaan noin 13,8 mrd vuotta sitten monella tapaa kuin ”köyhän tyhjätaskun” nousu ”kosmiseen kiitojunaan”: kosminen inflaatio söi ensin viimeisetkin roposet köyhän taskun pohjalta ja viskasi sitten matkaajan valoakin nopeampaan vauhtiin kaikkien könduktöörien tavoittamattomiin.  Toki tämä lähtömetafora saattaa ontua monella tapaa, mutta maailmankaikkeuden synty standardimallin mukaisena tapahtumisena sisältää kaksi merkittävää asiaa: kosmisen inflaation ja alkuräjähdyksen (Big Bang) juurikin tässä järjestyksessä.

Tuon kosmisen inflaation aikana voidaan ajatella kosmoksen alkutilan kentän (kutsutaan sitä nyt vaikka inflatoniksi) paisuttaneen avaruuden valoakin nopeammaksi eksponentiaaliseksi laajenemiseksi. Tämä tapahtuminen venytti samalla inflatonin kvanttivärähtelyt (kvanttifluktuaatiot) valtaviin kosmisiin mittoihin. Kvanttivärähtelyt jähmettyivät sitten inflaation lopulla paikalleen. Sanotaankin, että nämä alkutilan kentän epätasaisuudet olivat sittemmin galaksien ja muun avaruuden rakenteen siemeniä hyvin pienestä äärimmäiseen suureen.

Jos koetamme etsiä jotain arjen mallia kuvaamaan syntyvän neliulotteisen aika-avaruuden inflatorista laajenemista, on tässä ehkä hyvä ottaa avuksi tarkastelu valaistuksen leviämisestä jollain pinnalla. Pallomaisen valoaallon ryhmänopeus on se vakioinen vallonnopeus (n. 300 000 km/s), jolla tuo valoaalltojen rintama törmää pintaan. Pinta valaistuu nyt suuntiinsa todistettavasti valoakin nopeammin.

Kosmisen infaation aikana tuo alkukosmospallon sisältö oli suurella todennäköisyydellä pelkkää kuumaa ja väreilevää vielä eriytymätöntä kvanttien energiaa, meille varsin outoa säteilyä kaiken kaikkiaan. Otaksuttavasti tämäkin energiavärähtely liikkui valonnopeudella, mutta tuon neliulotteisen pallon pinta, alkukosmos, laajeni reippaasti yli vallonnopeuden.

Maailmankaikkeutemme syntyi mitä ilmeisimmin siis oleellisesti tyhjästä ”köyhän miehen taskusta”, tyhjiöenergiasta. Hiukkasfysiikan teoria ja kokeet ovat nimittäin osoittaneet, että tyhjiöksikin sanottu tila on täynnä energiaa ja virtuaalihiukkasia, kvanttien ”mikrohyrriä”, missä kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaate sallii ”kvanttilainanoton”: energia muuttuu massaksi ja taasen energiaksi.

Materiaa katsotaan syntyvän tyhjästä, kun energian lainaus ”maksetaan” takaisin äärimmäisen pienen epämääräisysajan puitteissa. Energian ”lainaus” voi olla tuolloin hyvin suuri, jos ”laina-aika” on vaikkapa infinitesimaalisen pieni, siis niin  pieni, että emme sitä pysty tarkasti millään laittein milloinkaan mittaamaan. Tätä energian ”lainausta” voimme varsin hyvällä syyllä ja tahdolla kutsua nyt ”kosmiseksi lainaksi”. Nykytietämyksen mukaan tuota ”kosmista lainaa” ei tavitse maksaa takaisin avaruuden kiihtyvän laajenemisen johdosta: laina katoaa kosmoksen laajenemisen myötä ikuisuuksien inflatoriseen pimeyteen…

Toki kosmoksemme syntyä määrittää kokonaisenergian universaali säilymisen laki, vaikka kvanttimekaanisen maailman outous epätarkkuusperiaatteineen sitäkin hämärtää. Sanotaan, että koko universumimme synty on ”yhtä tyhjän kanssa” eli se on voinut syntyä erikoisesta massaenergiapisteestä, jonka kokonaisenergia oli alussa nolla, toki epätarkkuusperiaatteen mukaisesti. Näin ollen universumimme kokonaisenergia on edelleenkin nolla ikuisuuksiin asti. Tämä ajatus liittyy myös siihen teoriaan ja olettamukseen, että kosmoksen massaenergia on positiivista, mutta gravitaatioenergia negatiivista. Näiden energioiden summa olisi siten nolla ikuisesti epätarkkuusperiaatteen rajoituksin.

Kun inflaation jälkeen mudostunut hyperkuuma alkeishiukkaskaasu, jolle Higgsin kenttä antoi alkujaan massattomille hiukkasille massan, alkoi oman laajenemisensa, kutsutaan tätä tapahtumaa kuumaksi ”alkuräjähdykseksi”, Big Bang. Tämä laajeneminen on sittemmin tapahtunut reippaasti valon nopeutta pienemmällä nopeudella, vaikkakin sen on nyttemmin havaittu kiihtyvän. Näin avaruuden jäähtyessä alkoivat muodostua kvarkkien myötä atomit, molekyylit ja isommat rakenteet.

Nyt voidaan lopuksi kuitenkin kysyä kaiken tuonkin jälkeen, onko kosminen todellisuutemmekin vain kosmisen lainan nollasummapeliä?