Onko maailmankaikkeudella keskus? Laajenemisen selitys

Aluksi se kuulostaa järjenvastaiselta. Kuinka jotain niin mittavaa kuin maailmankaikkeudella voisi olla täysin ilman keskusta? Silti juuri siihen moderni kosmologia meidät johtaa, ja ajatus on hämmästyttänyt sekä tiedemiehiä että uteliaita lukijoita jo yli vuosisadan.

Kun Albert Einstein esitteli yleisen suhteellisuusteorian vuonna 1915, hän antoi fysiikalle radikaalisti uuden tavan kuvata painovoimaa, avaruutta ja aikaa. Mutta jopa Einstein oli oman aikakautensa oletusten muovaama. Hän uskoi maailmankaikkeuden olevan staattinen, ikuinen ja muuttumaton. Toisin sanoen hän odotti kosmoksen pysyvän paikoillaan.

Luonto suunnitteli toisin.

Kun tähtitieteilijät alkoivat tutkia kaukaisia galakseja, he löysivät liian räikeän ilmiön ollakseen huomaamatta. Nuo galaksit eivät vain olleet paikoillaan. Ne näyttivät etääntyvän, ja mitä kauempana ne olivat, sitä nopeammin ne vaikuttivat loittonevan. Tämä havainto muutti kaiken. Yhtäkkiä Einsteininkaan yhtälöt eivät olleet enää pelkästään malli kiinteästä maailmankaikkeudesta. Ne pystyivät kuvaamaan myös liikkuvaa kosmosta, joka venyy ajan myötä.

Tämä muutos synnytti nykyaikaisen kuvan laajenevasta maailmankaikkeudesta. Ilmausta kuulee usein, mutta se voi silti johtaa harhaan. Laajeneminen ei tarkoita, että maailmankaikkeus pulppuaisi ulospäin tyhjään avaruuteen. Se tarkoittaa, että galaksien välinen etäisyys kasvaa. Galaksit eivät ryntää halki avaruuden kuin kipinät räjähdyksestä. Sen sijaan itse avaruus venyy, hiljaisesti ja kaikkialla yhtä aikaa.

Osa, joka haastaa järjen

Tässä arkijärki alkaa pettää. Maapallolla kun jokin laajenee, kuvittelemme yleensä sen kasvavan keskeltä ulospäin. Ilmapallo kasvaa keskeltään. Aalto leviää siitä kohdasta, mihin kivi iskeytyy veteen. Siksi on luonnollista kysyä: missä maailmankaikkeuden keskus on?

Fysiikkojen ymmärryksen mukaan kosmisen laajenemisen kohdalla tuohon kysymykseen ei välttämättä ole mitään vastausta.

Klassinen vertaus auttaa, ainakin osin. Kuvittele pisteitä piirrettynä ilmapallon pinnalle. Kun pallo täyttyy ilmalla, jokainen piste etääntyy muista pisteistä. Yhtäkään pistettä ei tarvitse liu’uttaa pinnan poikki. Pinta itse laajenee. Tässä kuvassa pisteet toimivat galaksien vertauskuvina.

Mutta todellinen oppi ei liity ilmapallon sisätilaan. Se koskee pintaa. Jos eläisit vain tuolla pinnalla, et löytäisi sieltä mitään erityistä keskuspistettä. Jokaisesta sijainnista näyttäisi muiden pisteiden lipuvan pois. Maailmankaikkeus näyttää toimivan samankaltaisesti. Suurimmissa mittakaavoissa laajeneminen tapahtuu kaikkialla, ei yhdestä etuoikeutetusta paikasta.

Vertauskuva on hyödyllinen, mutta ei täydellinen. Ilmapallon pinta on kaksiulotteinen, kun taas meidän maailmankaikkeutemme sisältää kolme avaruuden ulottuvuutta ja yhden ajan. Tämä neljäulotteinen rakenne, tunnettu avaruus-aikana, on se kenttä, jossa yleinen suhteellisuusteoria toimii. Kun avaruus ja aika kietoutuvat yhteen, kosmos lakkaa käyttäytymästä tavoilla, jotka vastaisivat tavanomaista ihmisten vaistoa.

Kuten Rhode Islandin yliopiston professori Rob Coyne on selittänyt, yksi vaikeimmista osista maailmankaikkeuden ymmärtämisessä on irti päästäminen arkipäivän ajattelutavoistamme. Olemme ohjelmoituja ajattelemaan esineitä liikkuvina kohteina avaruudessa. Kosmologia kehottaa meitä pohtimaan jotain oudompaa: itse avaruuden muuttumista.

Siksi keskuksen käsite voi olla niin petollinen. Jos jokainen maailmankaikkeuden alue osallistuu laajenemiseen, yksikään paikka ei voi yksinoikeudella väittää olevansa keskus. Millä tahansa galaksista katsottuna kokonaiskuva näyttää samanlaiselta. Kaikki näyttäisi etääntyvän kaikesta muusta.

Tutkijat työskentelevät yhä ymmärtääkseen, mikä ajaa tuota laajenemista. Pimeä energia on johtava selitys, mutta se on yhä yksi modernin fysiikan suurimmista mysteereistä. Tutkijat voivat mitata sen vaikutuksia, mutta sen todellinen luonne on edelleen turhauttavan vaikeasti tavoitettava.

Ja se saattaa olla kaikkein kiehtovin osa. Yksi perustavanlaatuisimmista kysymyksistä, jonka voi kosmoksesta esittää, "missä on keskikohta", avaa todellisuuden, joka on paljon oudompi kuin arkijärki antaa odottaa. Maailmankaikkeus ei välttämättä laajene yhdestä keskuksesta. Se saattaa laajeta kaikkialla yhtä aikaa.