Tieteen suuret kysymykset

29.4.2018 klo 14.35, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia

Eräässsä tutkimuksessa on kyselty yleisöltä mitä he pitävät tieteen suurimpina kysymyksina ja haasteina (https://www.npr.org/sections/13.7/2013/09/10/221019045/the-10n-most-important-questions-in-science). Vastausten perusteella ihmisiä kiehtovat eniten perinteiset olemassa olomme perusteita ja kaiken alkuperää koskevat kysymykset: ”Mistä maailmankaikkeus on tullut”, ja ”Miten elämä on syntynyt”. Näitä kysymyksiähän on ihmetelty niin kauan kuin tietoinen laji on ollut olemassa ja koettanut ymmärtää maailman olemusta ja omaa alkuperäänsä. Menneinä aikoina näihin kysymyksiin on koetettu vastata myyttien ja uskomusten avulla. Nykyään luonnontieteet rakentavat pienistä tiedon palasista kokonaiskuvaa siitä miten nämä prosessit olisivat aikoinaan oikeasti tapahtuneet.

Nyt ymmärrämme maailmankaikkeuden syntyneen prosessissa jota kutsumme Alkuräjähdykseksi: jokin äärettömän pieni piste räjähti jonkinlaisen kvanttihypyn kautta, laajeni valoa nopeammin ensimmäisen sekunnin pikkiriikkisen murto-osan ajan, ja tuossa räjähdyksessä syntyi kaikki se mitä maailmassa on olemassa. Meille maallikoille tuo tapahtuma on täysin käsittämätön, mutta kosmologit ja hiukkasfyysikot ovat tykönään tutkineet sitä, ja päässeet tapahtumista niinkin hyvään yhteisymmärrykseen että  selittävät sitä nykyisin mallilla jota kutsutaan ”standardimalliksi”. Malli perustuu lähinnä suhteellisuusteoriaan, kvanttiteoriaan, hiukkasfysiikkaan ja havaintoihin maailmankaikkeuden laajenemista, ja sen taustasäteilyn rakenteesta.

Standardimallin mukaan maailmankaikkeus syntyi inflaatioprosessin ja kuuman alkuräjähdyksen kautta. Tässä prosessissa olemattoman pieni lähtökohta laajeni hyvin nopeasti, valoa nopeammin, alle sekunnissa, nuoreksi maailmankaikkeudeksi.

Alkuräjähdys eteni vaiheittain. Sen ensimmäinen vaihe, eli varsinainen kaiken aineen ja energian synty, tapahtui noin 10 -32 sekunnissa. Tätä aikaa kutsutaan Planckin ajaksi. Se on lyhin mahdollinen mitattavissa oleva aika, ja niin lyhyt ettemme pysty sitä ymmärtämään. Tänä aikana maailma oli laajentunut noin 1028 kertaiseksi, ja tämä luku taas on käsittämättömän suuri. Kuitenkin, mallit ennustavat että tuon ajan kuluessa maailma olisi laajentunut noin metrin laajuiseksi palloksi: tyhjiö avautui tuon suuruiseksi tilaksi, joka nyt sisälsi kaiken mitä maailmassa tuli koskaan olemaan. Tapahtuma eteni valon nopeutta nopeammin, eikä siis lähettänyt ympäristöönsä mitään valoa tai säteilyä. Tapahtumaa ajoi valtava tyhjiön energia, joka muuttui äärimmäisen kuumaksi säteilyksi, eli valon nopeudella liikkuviksi fotoneiksi ja alkeishiukkasiksi. Tämä prosessi synnytti kaiken aineen ja energian mitä maailmassa on, ja sitä kutsutaan inflaatioksi.

Inflaation alussa alkoi aika, ja sen aikana määräytyivät myös maailmankaikkeutta hallitsevat luonnonlait ja parametrit, eli  gravitaatio, ja vahva, heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus, joista ainakin kaksi viimeisintä olivat alussa yhdistyneenä yhdeksi, sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Suuren yhtenäisteorian puitteissa ajatellaan että myös vahva vuorovaikutus, ja ehkä myös gravitaatio, yhdistyisivät noilla suurilla energioilla yhdeksi vuorovaikutuskentäksi.

Inflaation aikana syntyneet ja kuuman alkuräjähdyksen aikana eriytyneet vuorovaikutusvoimat ohjaavat sitä miten erilaiset alkeishiukkaset käyttäytyvät ja reagoivat keskenään: Vahvat vuorovaikutukset vaikuttavat alkeishiukkasten välillä ja stabiloivat atomien ytimet: ne sitovat kvarkit toisiinsa ja muodostavat protoneja ja neutroneja. Ne myös ja pitävät koossa atomiytimiä sitomalla yhteen protoneja, jotka muutoin positiivisen sähkövarauksensa takia hylkisivät toisiaan; ne myös sitovat neutronit atomiytimien yhteyteen. Heikot vuorovaikutukset taas vaikuttavat leptoneihin ja kvarkkeihin siten että ne voivat muuttaa niitä toisiksi hiukkasiksi.

Sähkömagneettiset vuorovaikutukset taas vaikuttavat kaikkiin varautuneisiin hiukkasiin ja kappaleisiin siten että samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan, ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkiksi protonien positiiviset ja elektronien negatiiviset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, neutraloivat toisensa ja pitävät koossa atomin rakennetta. Liikkuvat sähkövaraukset luovat ympärilleen magneettikentän. Sähkömagneettisen voiman kantama on suhteellisen lyhyt. Suurten, toisistaan kaukana olevien taivaankappaleiden välillä vaikuttaa vain gravitaatio.

Alkuräjähdyksen aikana syntyneiden vuorovaikutusvoimien suuruudet ja alkeishiukkasten ominaisuudet ja määrät säätelevät sitä, miten maailmankaikkeus kehittyy. Esimerkiksi, vahvan  vuorovaikutuksen voimakkuus (e = 0,007) kertoo kuinka lujasti atomien ytimet pysyvät kasassa ja kuinka paljon energiaa vapautuu kun vety-ytimet yhtyvät heliumiksi. Tämän voiman takia ydinreaktiot ovat tuottaneet eri alkuaineita, esimerkiksi happea ja hiiltä juuri niissä suhteissa kuin niitä nyt on olemassa; nämä ovat nyt vedyn ja heliumin jälkeen yleisimmät alkuaineet maailmankaikkeudessa.

Jos taas gravitaation voima olisi vallitsevaa arvoaan suurempi, olisi universumi ollut vain lyhytikäinen, se olisi romahtanut kasaan. Jos se olisi ollut pienempi, tähtiä ei olisi syntynyt. Myös koko joukko kosmisia vakioita,  mm. maailmankaikkeuden keskitiheys, tiheysvaihteluiden voimakkuus, laajenemisnopeus (= Hubblen vakio), pimeän aineen ja energian määrä ja näkyvän aineen ja energian määrä ovat vaikuttaneet siihen, miten maailmankaikkeus on kehittynyt. Kaikkien näiden vaikutuksesta maailmakaikkeus on kehittynyt juuri niin kuin se on kehittynyt: se tuottaa uusia tähtiä, planeettakuntia, ja planeettoja elinkelpoisella alueella. Nämä arvot ovat perustana sille että aine ja energia käyttäytyvät niinkuin ne käyttäytyvät: vety ja helium ytimet yhtyvät suurissa kuumuuksissa ja tuottavat suurempia alkuaineita kuten happea, typpeä, fosforia, rikkiä, ja raskaampia metalleita. Näiden parametrien ansioista maailma voi tuottaa elämää.

Jotkut sanovat että maailmankaikkeuden kehitystä ohjaavat parametrit ovat olleet tarkasti hienosäädettyjä niin että ne ovat mahdollistaneet monimutkaisen maailman ja elämän synnyn (tästä keskusteli mm. Pentti Varis alla olevan blogikirjoituksen ”Astrobiologian uudet foorumit” yhteydessä). Tämä ajatustapa kuitenkin sisältää oletuksen siitä että maailmanakaikkeudella olisi ollut jonkunlainen tarkoitus kehittyä juuri niin kuin se on kehittynyt, ja myös oletuksen siitä että maailma olisi tietoisesti pyrkinyt tuottamaan kaikkea tätä, eli planeettakuntia joissa monissa vallitsee sopivat olosuhteet elämälle, joissa ainakin joskus syntyy monimutkaista kemiaa ja jopa elämää, ja joskus, jopa monimutkaisia eliökuntia ja monimutkaisia tietoisia lajeja. Kuitenkin todennäköisempää lienee että kaikki tämä on tapahtunut vain siksi että se on ”voinut tapahtua”, maailman alkuperäisten parametrien hallitsemien satunnaisten prosessien kautta. Kaikki tämä kehitys on myös ollut edellytyksenä sille että nyt olemme tässä ja pohdimme näitä kysymyksiä; olemassa olomme on siis seuraus, eikä syy näille maailman parametreille (tätä johtopäätöstä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi).

Maailmankaikkeuden kehitystä ja prosesseja määräävät myös termodynamiikan peruslait, joiden mukaan suljetussa systeemissä energian/materian kokonaismäärä säilyy, systeemin eri osat ajatutuvat keskenään (lämpö)tasapainoon, ja ajan mittaan epäjärjestys kasvaa maksimaaliseksi. Laajenevassa maailmankaikkeudessa nämä luonnon peruslait tarkoittavat sitä että pitkällä aikavälillä vain epäjärjestystä tuottavat prosessit voivat olla jatkuvia. On siis aika yllättävää että luonnolait ja prosessit silti yhdessä tuottavat myös suurta järjestystä, monimutkaisia rakenteita ja toimintoja, kuten galakseja, tähtiä ja planeettakuntia,  molekyylejä, polymeerejä ja niinkin monimutkaisia ja toiminnallisia systeemejä kuin eläviä soluja.  Kuitenkin näidenkin monimutkaisten prosessien on pakko toimia termodynamiikan ehdoilla. Kaikessa monimutkaisuudessaan ja korkeassa järjestyksen asteessaan, nekin ilmeisesti lisäävät maailman kokonaisentropiaa, eli epäjärjestystä.

Entropia lisääntyy tähtien sisällä niin että alkeishuikkasten massa hitaasti muuttuu säteilyksi. Elävän solun toiminnoissa se lisääntyy niin että solu sitoo säteilyenergiaa, ja muuttaa sitä kemialliseksi energiaksi, työksi ja lämmöksi. Sen sitoma säteilyenergia vapautuu lopulta pidempiaaltoisena lämpösäteilynä, jonka myötä systeemistä poistuu suurempi määrä matalampienergisiä fotoneita kuin mitä siihen alun perin sitoutui. Siis myös elämä systeemi, joka olemassaolollaan lisää maailman epäjärjestyksen astetta.

9 kommenttia “Tieteen suuret kysymykset”

  1. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Olemme kiistatta edistyneet näiden suurten kysymysten suhteen verrattuna entisajan teologeihin ja filosofeihin. Mutta en silti tiedä olemmeko ymmärrysmatkan alkumetreillä vai jo vähän pitemmällä.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Ehdottomasti näin. Ollaan kovin pieniä, ja ymmärrys on rajallista.

  2. Markku Tamminen kirjoitti:

    1. Kirjoitat: ”Sähkömagneettisen voiman kantama on suhteellisen lyhyt. Suurten, toisistaan kaukana olevien taivaankappaleiden välillä vaikuttaa vain gravitaatio.” Jos kuu koostuisi elektroneista ja maa protoneista, ja niiden massat olisivat samat kuin nyt, niin eiköhän niiden välillä vallitsisi melkoinen voima, ja pian meillä olisi ”kuumaa”. Ja tuleehan meille koko ajan noita fotoneita 13.8 miljardin valovuoden päästä. Joten mitä tarkoitat ’kantamalla’?

    2. Kirjoitat: ”Maailmankaikkeuden kehitystä ja prosesseja määräävät myös termodynamiikan peruslait, joiden mukaan suljetussa systeemissä energian/materian kokonaismäärä säilyy, systeemin eri osat ajatutuvat keskenään (lämpö)tasapainoon, ja ajan mittaan epäjärjestys kasvaa maksimaaliseksi. Laajenevassa maailmankaikkeudessa nämä luonnon peruslait tarkoittavat sitä että pitkällä aikavälillä vain epäjärjestystä tuottavat prosessit voivat olla jatkuvia.” Syksy Räsänen sanoo blogikirjoituksessaan ”Ikuisuus vailla lämpökuolemaa”:”…pystymme melkoisella varmuudella sanomaan, mitä ei tapahdu: maailmankaikkeus ei päädy lämpökuolemaan.” Edelleen: ”…kun maailmankaikkeus oli 400 000 vuotta vanha, sen lämpötila oli sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. Lämpökuolema ei ole maailmankaikkeuden tulevaisuus, vaan sen menneisyys.” Olisivatkohan nämä kaksi näkemystä jotenkin yhteensovitettavissa?

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Hei! Ensimmäiseen ehdotelmaasi sähköisten nvuorovaikutusten mahdollisista pitkistä kantamista pitää sanoa – hiukan hämmentyneenä – että eihän tuollaisia massiivisen suuria sähkölatauksia voi syntyä, koska samanmerkkiset sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Siis, Kuu ei voisi koostua elektroneista, eikä Maa protoneista, tai päinvstoin, koska mokomat kasautumat eivät pysyisi kasassa. Kuten tiedämme ukkosmyrskyistä, sellaiset kohtalaisen kokoisetkin sähkövaraukset purkautuvat tuota pikaa suurella jyrinällä. Ilmeisesti on todellakin niin että ainoa voima joka ajaa kappaleita lähemmäs toisiaan on gravitaatio. Atomiytimissä tarvitaan niitä heikkoja ja vahvoja vuorovaikutuksia pitämään positroneja yhdessä.

      Sitten tuo ajatuksesi/kysymyksesi siitä, vaikuttaako termodynamiikka maailmankaikkeudessa. Tämä lienee perimmältään aika vaikea kysymys siksi että ei tiedetä onko maailmankaikkeus suljettu vai avoin systeemi (?? — miten lienee??). KUitenkin, jatkuvan (ja kiihtyvän) laajenemisen myötä sen keskitiheys koko ajan pienenee, tähdet, galaksit ja galaksijoukot etääntyvät toisistaan. Taustasäteilyn lämpötila laskee kohti absoluuttista nollapistettä, joskaan ei kait koskaan ihan saavuta sitä. Tähtiä styntyy, ne palavat loppuun, räjähtävät ehkä supernovina, synnyttävät uusia pölypilviä joista voi syntyä uusia tähitä, jotka taas palavat loppuun ja räjähtävät. Näissä prosesseissa osa alkeishiukkasten massasta muuttuu säteilyksi ja karkaa taivaan tuuliin, lisäten entropiaa. Tähtien läpi kiertävä aine muuttuu raskaammiksi alkuaineiksi, joista osa voi päätyä pölypilvien kierrätyssysteemeihin, osa taas jää sammuviin tähtiin, ruskeisiin kääpiöihin tai neutronitähtiin, lopulliseen sijoituspaikkaansa, ikuisiksi ajoiksi. JOten minusta näyttäisi siltä että loulta, aikojen kuluessa, jäljelle jäävä aina päätyy kylmiin sammuneidsiin tähtiin tai niitä kiertäviin (kuolleisiin) planeettoihin, ja kaikki aineesta vapautuva säteily jatkaa matkaansa laajeten yhä suurempaan maailmankaikkeuteen. Eli, entropia kasvaa maksimiinsa … ?? Vai miten tämä menee..??

      1. Markku Tamminen kirjoitti:

        Tarkoitin vain termin ’kantama’ merkitystä: ”The electromagnetic force is a force of infinite range which obeys the inverse square law.” Esimerkki oli tietenkin epärealistinen.

        Tuo toinen pointti jäi edelleen vaivaamaan. Syksy Räsänen kyllä esitti perusteluja miksi maailmankaikkeuden lämpökuolema on mahdoton.

        1. Kirsi Lehto kirjoitti:

          .. luulisin että tuon sähkömagneettisen voiman kantama jää käytännössä lyhyeksi ihan siksi että mitään isoja varauksia ei voi kasaantua yhteen, siksi että niiden kasaumat ovat epästabiileja. Ja erimerkkiset neutraloivat toisensa. Mutta muutoin: pitää konsultoida viisaampia.

  3. Pentti S. Varis kirjoitti:

    Tieteellisten näkemysten kehittyminen on täynnä erimielisyyksiä. Yksi merkittävä kiistelyn kohde on elollisten olioiden genomi. Koska proteiineja koodaavien geenien osuus on vain n. 2%, on herännyt kysymys muiden, proteiineja koodaamattomien geenien tehtävistä genomissa. Tiedeyhteisö on jakautunut kahteen ”puolueeseen”, joista toinen katsoo n. 80% non-coding-geeneistä olevan funktiotonta roskaa ja toinen puolestaan kannattaa ideaa, että lähes kaikilla geeneillä on tehtävä. Muun muassa geenien rakenteen keksijäryhmään kuulunut F.C.H.Crick lukeutui roskageenien kannattajiin.
    Itse kannatan geenien funktionaalisuuden ideaa. Aikoinaan ”referoin” FT Tuomas Aivelon blogin kommenteissa satakunta tiedelehtien artikkelia, jotka edustivat samaa näkemystä (nimimerkki oli psv, aggris aggris tai 3779).
    https://www.tiede.fi/blogit/kaiken_takana_on_loinen/perimassa_on_paljon_turhaa_koska_evoluutio
    Tällä hetkellä kaikkien geenien funktiollisuutta edustava puolue on jälleen astunut mielestäni merkittävän askeleen
    https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180411131659.htm
    Roskaksi eli turhaksi, funktiottomaksi monen kauan uskoma ja väittämä perisentrometrinen satelliitti-DNA (olennainen osa genomin non-coding DNA:ta) on osoittautunut erittäin tärkeäksi genomia koossa pitäväksi tekijäksi.
    https://fi.wikipedia.org/wiki/Mikrosatelliitti_(biologia)
    Satelliitti-DNA varmistaa, että kromosomit niputtuvat oikealla tavalla solun tumassa, mikä on välttämätöntä solun eloonjäämiseksi. Tutkijat poistivat banaanikärpäsen tumasta proteiinin D1, jonka tehtävä oli sitoa satelliitti-DNA järjestyneiksi, paikallaan pysyviksi nipuiksi. Näin käsitellyt sukusolut kuolivat.
    Yhteen sitomattomat satelliitti-DNA-jaksot ajautuivat tuman ulkopuolelle, jonne niistä muodostuu pieniä mikro-tumia solun samalla menettäessä elinkelpoisuutensa.
    Vastaava ilmiö on jo todettu hiiren tumassa.
    Arvelen, että tämä on vasta DNA:n ”roskaisuuden” kumoutumisen alkusoittoa..

  4. Pentti S. Varis kirjoitti:

    Alkuräjähdys, jossa kaikki oli alussa äärettömän pieneen tilaan ahdettuna ja sitten ylitti laajetessaan valon nopeuden tuntuu mahdottomalta paitsi maallikosta, myös aika monesta kosmologistakin. Puristuiko olevainen todella olemattomaan pisteeseen vai mistä tuo energiakeskittymä tuli? Jos alkuräjähdyksen jälkeen tapahtuvat asiat tarvitsivat informaatiota, mistä se oli peräisin? Nämä ovat maallikon ajatuksia, mutta Seuraavissa linkeissä esitetään lisää alkuräjähdykseen ja sen tiimoille liittyviä ongelmia

    https://fi.wikipedia.org/wiki/Alkur%C3%A4j%C3%A4hdys#Alkuräjähdysteorian_ongelmia

    https://thetechreader.com/top-ten/top-ten-scientific-flaws-in-the-big-bang-theory/

    http://www.spaceandmotion.com/cosmology/top-30-problems-big-bang-theory.htm

    Ongelmia tiedostavat fyysikot ja kosmologit pohtivat jatkuvasti uusia, alkuräjähdyksestä enemmän tai vähemmän poikkeavia skenaarioita kuten esimerkiksi

    https://tekniikanmaailma.fi/erikoinen-teoria-alkurajahdys-ei-ollut-maailmankaikkeuden-alkuhetki-todisteita-voi-loytya-alkurajahdysta-vanhemmista-mustista-aukoista/

    https://www.tekniikkatalous.fi/tiede/avaruus/2015-02-11/Uusi-tutkimus-v%C3%A4itt%C3%A4%C3%A4-Alkur%C3%A4j%C3%A4hdyst%C3%A4-ei-ollutkaan-3258800.html

    http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2016/07/no-big-bang-our-universe-was-formed-from-an-older-collapsing-universe.

    Mikään näistä tai monista muista yritteistä ei ole vielä kyvykäs selittämään kuin pienen osan havaituista tai ainakaan keskeisistä kosmologian ilmiöistä, joten tutkijoilla riittää vielä tekemistä. Mahdollisesti joudutaan kehittämään jopa uusi fysiikan teoria tai selittämään matematiikan ja luonnontieteen merkillinen yhtäpitävyys esimerkiksi kaiken taustateorialla.

    Olettaen, että räjähdys ja laajeneminen tapahtuvat vakuumissa, jonka informaatiorakenne muuttuu laajenemisen edistyessä, joudutaan myös lisävaikeuksiin.

  5. Jukkis kirjoitti:

    Tuossa artikkelissa on pari typo-virhettä, tai sitten selaimeni ei näytä oikein.
    Inflaatiovaihe kesti 10^-32 s (Plankin aika) ja Avaruus laajeni tuolloin 10^28 kertaiseksi syntymäsingulariteetin laskennallisesta koosta mitattuna.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *