Tiede selitettynä: How Can the Diameter of the Universe Exceed its Age?

Universumin koko

Valon nopeus on yksi maailmankaikkeutemme tärkeimmistä ja perustavimmista ominaisuuksista. Sitä käytetään etäisyyksien mittaamiseen, planeettojen välisessä viestinnässä ja erilaisissa matemaattisissa laskelmissa. Ja se on vasta alkua.

Nopeus, jolla valo kulkee tyhjiössä – 299 792 kilometriä (186 282 mailia) sekunnissa – on staattinen ja muuttumaton. Jos tämä vakio poistetaan, modernin fysiikan perusta murenee useista syistä, ja yleissääntö voidaan tiivistää tähän: Mikään maailmankaikkeudessa ei voi kulkea valonnopeutta nopeammin.

Kuten voitte kuvitella, syntyy hämmennystä, kun otetaan huomioon, että maailmankaikkeus ei ole 13,8 miljardin valovuoden mittainen – luku, joka vastaa maailmankaikkeuden ikää. Nykyisten arvioiden mukaan se on itse asiassa melko paljon suurempi, sillä sen halkaisija on arviolta noin 93 miljardia valovuotta. Ja se on vain se, mitä voimme nähdä. Se, mitä emme näe, voi jatkua ikuisesti.

Miten maailmankaikkeus voi siis olla 93 miljardin valovuoden levyinen, jos se on vain 13,8 miljardia vuotta vanha eikä mikään voi kulkea valoa nopeammin?

Punasiirtymän ymmärtäminen

Ennen kuin voi ymmärtää, miksi maailmankaikkeuden koko on niin paljon suurempi kuin sen ikä, on tärkeää ymmärtää, miten valo toimii.

Sir Isaac Newton oli kiistatta yksi kaikkien aikojen suurimmista mielistä. Sen lisäksi, että hän ”keksi” laskennan, hän oli ensimmäinen tiedemies, joka todella ymmärsi valon olemuksen ja sen, mitä tapahtuu, kun se hajotetaan osiin.

Aluksi hänen tutkimuksensa paljastivat, että musta on värin puuttumista, kun taas valkoinen valo – kuten Auringosta ja muista tähdistä tuleva valo – on kaikkien värien yhdistelmä. Kun kohteen valoa tarkastellaan prisman läpi, voidaan nähdä valoa vastaavat alkuaineet, joita valo edustaa, minkä perusteella voidaan määrittää kohteen koostumus, lämpötila ja jopa se, missä vaiheessa evoluutiota se on.

Monella tapaa Newtonin työ mullisti fysiikan ja tasoitti tietä kaikille suurille, kuten Niels Bohrille, Max Planckille ja tietysti Albert Einsteinille. Tämän keskustelun kannalta merkittävin Newtonin työn pohjalta toiminut tiedemies oli kuitenkin Christian Doppler.

Doppler tuli tunnetuksi satoja vuosia Newtonin kuoleman jälkeen, ja jos hänen työnsä ei ole sinulle tuttu, hän löysi jotakin sellaista, jota nykyään kutsutaan Dopplerin efektiksi. Tämä prosessi selittää, miksi osa kosmisista lähteistä peräisin olevasta valosta pyrkii laskeutumaan lähelle sähkömagneettisen spektrin punaista ääripäätä, kun taas osa valosta on lähempänä sinistä ääripäätä.

Yksikertaisesti sanottuna Doppler-ilmiö huomaa, miten valon aallonpituus siirtyy sen mukaan, mihin suuntaan lähde liikkuu, esimerkiksi tuleeko jokin lähde meitä kohti vai etääntyykö se. Erityisesti valoaallot venyvät, jos lähde liikkuu poispäin havaitsijasta, jolloin ne näyttävät punaisilta (pidempi aallonpituus). Sitä vastoin valoaallot puristuvat, jos kohde kulkee kohti havaitsijaa, jolloin ne näkyvät sinisinä (lyhyempi aallonpituus).

Matkan varrella tarjoutui pelimuutos. Lopulta lähes kaikki galaksit näyttivät siirtyvän kohti pidempää aallonpituutta, mikä tarkoitti, että ne näyttivät punaisilta, ikään kuin ne olisivat siirtymässä meistä poispäin. Vielä hämmästyttävämpää oli se, että sen lisäksi, että suurin osa galakseista liikkui meistä poispäin, tämä punasiirtymä lisääntyi, mikä tarkoitti, että kohteet etääntyivät meistä yhä nopeammin ja nopeammin.

Tämä johti siihen, että havaittiin, että maailmankaikkeus ei ole paikallaan, kuten jotkut uskoivat – se itse asiassa laajenee!

Universumin laajeneminen

Tässä kohtaa asiat menevät tahmeiksi. Punasiirtymähavaintomme paljastivat, että kolme kertaa kauempana olevat kohteet liikkuvat kolme kertaa nopeammin suhteessa läheisiin galakseihin. Mitä kauemmas avaruuteen katsomme, sitä nopeammin galaksit liikkuvat – itse asiassa ne liikkuvat näillä valtavilla etäisyyksillä niin nopeasti, että ne ylittävät helposti valonnopeuden. Kuten aiemmin todettiin, valon nopeus on kuitenkin universaali nopeusraja. Miten tämä siis voi olla mahdollista?

Huomaa ensinnäkin, että vaikka näkemämme on rajana, varsinainen maailmankaikkeus ulottuu paljon kauemmaksi kuin voimme käsittää. Kaikkea tämän rajan sisällä olevaa kutsutaan ”havaittavaksi maailmankaikkeudeksi”, ja siihen kuuluu:

• 10 miljoonaa superjoukkoa
• 25 miljardia galaksiryhmää
• 350 miljardia suurta galaksia
• 7 triljoonaa kääpiögalaksia
• 30 miljardia triljoonaa (3×10²²) tähteä

Jos kaikki tämä mahtuisi 13.7 miljardia valovuotta avaruusaikaa, maailmankaikkeus vaikuttaisi melkoisen täyteen ahdetulta.

Ensimmäinen ongelma oletukseen, jonka mukaan maailmankaikkeuden koon pitäisi vastata sen ikää vuosina valon kulkeman matkan perusteella, tulee vastaan, kun tarkastelemme alkuräjähdystä seuranneita ensimmäisiä hetkiä.

Kun maailmankaikkeus ”pamahti” olemassaoloonsa ensimmäisen kerran noin 13,75 miljardia vuotta sitten, itse avaruusaika alkoi laajentua valonnopeutta nopeammin. Tämä inflaatioksi kutsuttu ajanjakso on olennainen selitys paljon muullekin kuin maailmankaikkeuden koolle. Se kattaa myös asioita, kuten avaruuden homogeenisen luonteen suuressa mittakaavassa ja olosuhteet, jotka vallitsivat ensimmäisen aikakauden aikana.

Periaatteessa maailmankaikkeus siirtyi äärettömän tiheästä ja kuumasta tilasta valtavaksi alueeksi, joka kuhisi protoneja ja neutroneja – hiukkasia, jotka lopulta yhdistyivät ja muodostivat kaiken aineen rakennuspalikat – hetkessä. Alkuperäisen inflaation laannuttua laajeneminen hidastui. Nyt kohteita vetää erilleen salaperäinen voima, jota kutsutaan pimeäksi energiaksi.

Valoa nopeammin

Tämä laajeneminen näyttää tapahtuvan valon nopeutta nopeammin keinoin, joita ei ole vielä selvitetty, mutta se ei tarkoita sitä, mitä luultavasti luulet sen tarkoittavan.

Pelkäänpä, että tämä sekaannus johtuu suhteellisuusteorian perustavaa laatua olevasta väärästä tulkinnasta. Teorian mukaan esineet eivät nimittäin voi kulkea avaruusajan läpi valonnopeutta nopeammin. Se ei kuitenkaan aseta mitään rajoja itse avaruusajalle.

Yhteenvetona voidaan siis todeta, että avaruuden koko ei ole ristiriidassa fysiikan perusasioiden kanssa.

Ylipäätään itse galaksit (ja muutkaan avaruudessa olevat kohteet) eivät riko mitään lakeja, koska ne eivät kulje avaruudessa valoa nopeammin (ainakaan perinteisessä mielessä). Pikemminkin jokainen osa avaruutta laajenee ja venyy. Kyse ei ole edes siitä, että reunat lentävät ulospäin, vaan siitä, että itse avaruusaika – galaksien, tähtien, planeettojen, sinun ja minun välinen alue – venyy.

Lyhyesti sanottuna avaruusaika laajenee ja työntää materiaa erilleen. Aine ei oikeastaan kulje avaruusajan läpi.

Kiinnostavana sivuhuomautuksena todettakoon, että laajenemisella on valitettavasti joitakin synkkiä seurauksia maailmankaikkeuden tulevaisuudelle. Jos oletetaan, että laajeneminen jatkuu loputtomiin (eikä hidastu), näkyvän maailmankaikkeuden horisontti kutistuu vähitellen, kunnes kohteet ovat yksinkertaisesti liian kaukana toisistaan, jotta yhdestä galaksista tuleva valo koskaan saavuttaisi toista.

Sen vuoksi suuri osa siitä, mitä näemme nykyään, oli alunperin paljon lähempänä toisiaan. Laajenemisen ansiosta nämä kohteet ovat kulkeutuneet pois, ja jotkin galaksit ja muut kohteet ovat siirtyneet punasiirtymällä pois olemassaolostaan (tai ainakin pois näkökentästämme). Kaukaisimmat galaksit ovat maailmankaikkeuden vanhimpia asioita, sillä ne ovat syntyneet, kun maailmankaikkeus oli vain miljoonia vuosia vanha, ja on todennäköistä, että suurinta osaa niistä ei enää ole olemassa tai ne sijaitsevat nykyään aivan eri osassa kosmosta.

Lisätoimittaja Jaime Trosper.

Futurismin lukijana kutsumme sinut liittymään Singularity Global Communityyn, emoyhtiömme foorumiin, jossa voit keskustella futuristisesta tiede- & teknologiasta samanhenkisten ihmisten kanssa eri puolilta maailmaa. Liittyminen on ilmaista, rekisteröidy nyt!