Ennen lämpökylpyä
Kosminen inflaatio on paras selityksemme maailmankaikkeuden rakenteiden alkuperälle. Edellisessä merkinnässä kirjoitin siitä, että emme tiedä miten inflaatio on alkanut. Käsittelen nyt sitä, miten se loppui.
Inflaatiossa maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Kun inflaatio loppuu, laajeneminen alkaa siis hidastua. Se hidastuuko vai kiihtyykö laajeneminen riippuu siitä, millainen kappaleiden välinen gravitaatio on. Jos ne vetävät toisiaan puoleensa, laajeneminen hidastuu. Jos ne sen sijaan työntävät toisiaan poispäin, laajeneminen kiihtyy.
Isaac Newtonin vuonna 1687 esittämässä gravitaatioteoriassa massat vetävät toisiaan puoleensa. Mutta vuonna 1915 löydetyn yleisen suhteellisuusteorian, josta Newtonin teoria on vain karkea yksinkertaistus, mukaan on olemassa myös hylkivää gravitaatiota. Antigravitaatio ei ole vain scifi-idea, se on todellisuutta.
Tämä liittyy siihen, että yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation lähteenä ei ole vain massa, vaan myös muut aineen ominaisuudet, kuten paine. Jos paine on positiivinen (kuten tavallisen aineen tapauksessa), sen gravitaatio on puoleensavetävä. Mutta jos paine on negatiivinen, sen gravitaatio hylkii. Jos negatiivinen paine on tarpeeksi iso, se voittaa massojen puoleensavetävän vaikutuksen ja avaruuden laajeneminen kiihtyy.
Inflaation aikana maailmankaikkeuden aine ei ollut jakautunut lukemattomiin erillisiin hiukkasiin niin kuin nykyään. Silloin avaruuden täytti tasaisesti yksi (tai ehkä useampi) kenttä. Kyseessä voi olla hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttä tai jokin toistaiseksi tuntematon kenttä; on esitetty satoja erilaisia mahdollisuuksia siitä, millainen se olisi.
Kun tämä kenttä on tarpeeksi tasainen (eli sama kaikkialla) ja hitaasti muuttuva (eli sama eri aikoina), sen paine on negatiivinen ja gravitaatio hylkivä, eli avaruuden laajeneminen kiihtyy. Kentän arvo laskee hitaasti, joten se säilyy pitkään suunnilleen samanlaisena, ja siksi inflaatio kestää kauan. Lopulta kenttä kuitenkin lähestyy pienintä mahdollista arvoaan. Tällöin se alkaa muuttua nopeasti kunnes asettuu täysin aloilleen, eikä sen gravitaatio ole enää hylkivää. Siksi maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu.
Kiihtyvä laajeneminen piti kentän tasaisena. Kun inflaatio loppuu, kenttä rypistyy nopeasti, koska gravitaatio on taas puoleensavetävää ja siksi kasvattaa epätasaisuuksia. Kenttään syntyy kupruja, eikä se pysy yhtenäisenä vaan hajoaa hiukkasiksi, kuten näkkileipä rutistaessa pirstaloituu leivänmuruiksi.
Syntyneet hiukkaset voivat sitten törmäillä toisiinsa ja hajota toisiksi hiukkasiksi. Inflaatio on yksinkertainen tapahtuma, missä kaikki on hyvin tasaista ja muuttuu hitaasti, mutta sen loppu on sotkuinen. Hajoamisen yksityiskohdat riippuvat siitä, millainen kenttä inflaatiosta oli vastuussa, millaisia hiukkasia on olemassa ja miten ne vuorovaikuttavat keskenään.
Tämä inflaatiokentän hajoaminen tunnetaan nimellä esilämmitys (engl. preheating). Nimen taustalla on se, että lopuksi inflaatiota ajaneen kentän hajoamisesta syntyneet hiukkaset päätyvät lämpötasapainoon, ja niiden muodostama kuuma keitto tasoittuu. Jotkut kutsuvat tätä aineen syntyä inflaation lopussa ja sekoittumista tasaiseksi kuumaksi keitoksi nimellä alkuräjähdys. Itse käytän sanaa ennemmin sen alkuperäisessä tarkoituksessa, ajan ja avaruuden alkuna (josta emme tiedä mitään), mutta makuja on monia.
Kun lämpötila tasaantuu samaksi kaikkialla ja aine on lähellä lämpökuolemaa, jäljet esilämmityksen monipolvisista vaiheista katoavat. Yksi mahdollinen poikkeus on se, että rypistymisessä saattoi kehittyä niin isoja aineen tihentymiä, että ne romahtivat mustiksi aukoiksi, joita voisi havaita vielä nykyään.
Varmasti jäljelle jäävät vain inflaation aikana syntyneet pienet epätasaisuudet, jotka kattavat niin ison alueen, että ne eivät pyyhkiydy lämpökylvyssä pois. Gravitaatio myöhemmin kasvattaa aineen epätasaisuuksista galakseja ja muita rakenteita. Epätasaisuudet avaruudessa itsessään, eli gravitaatioaallot, matkaavat maailmankaikkeuden halki lähes muuttumattomina, ja niitä voi mitata vielä nykyään. Kenttien ja hiukkasten loiskinta esilämmityksen aikana sekin synnyttää gravitaatioaaltoja.
Oleellisinta esilämmityksessä on kuitenkin se, kauanko se kestää ja paljonko maailmankaikkeus sen aikana laajenee. Tämä vaikuttaa siihen, paljonko inflaation aikana syntyneet epätasaisuudet venyvät, eli minkä kokoisina ne nyt näkyvät meille kosmisessa mikroaaltotaustassa ja galaksien jakaumassa. Taivas kantaa muistoa aineen synnystä.
Kun inflaatiota ajava kenttä hajosi, laajeneminen jatkui vaikkakin hidastuen. Dominoikoi negatiivinen paine myös silloin vai miksi laajeneminen jatkui ? Olettaisi, että tasaisen inflaaation jälkeen hiukkaspiurossa oli pieniä tiheymiä, jotka ylsivät hitusen positiivisen paineen puolelle. Vai oliko muutos paineessa dramaattisempi, vai miten mustia-aukkoja heti syntyisi?
Inflaation jälkeen paine on positiivinen, ja gravitaatio on puoleensavetävä.
Jos gravitaatiota ei olisi, maailmankaikkeus laajenisi tasaisesti vakionopeudella. Kun gravitaatio on puoleensavetävä, laajenemisnopeus laskee. Se ei kuitenkaan laske heti (jos koskaan) nollaan.
Muuttuiko paine inflaation loputtua kuitenkin jatkuvana funktiona negatiivisesta positiiviseen? Ilmeisesti laajeneminen koki äkkijarrutuksen. Voiko ajatella, että laajenemiseen jäi kuitenkin tietty inertiaan verrattavissa oleva energia, jolla laajeneminen jatkui vakionopeudella, jota gravitaatio alkoi hidastaa?
”Muuttuiko paine inflaation loputtua kuitenkin jatkuvana funktiona negatiivisesta positiiviseen?”
Kyllä. Samoin kiihtyvyys muuttuu jatkuvasti positiivisesta negatiiviseen.
Räsänen: ”Jotkut kutsuvat tätä aineen syntyä inflaation lopussa ja sekoittumista tasaiseksi kuumaksi keitoksi nimellä alkuräjähdys. Itse käytän sanaa ennemmin sen alkuperäisessä tarkoituksessa, ajan ja avaruuden alkuna (josta emme tiedä mitään), mutta makuja on monia.”
Tämähän kietoutuu siihen kuuluisaan ja onnettomaan Fred Hoylen 1949 radioesitelmän tölväisyyn Big Bang. Tämä ei tietysti selittänyt tieteellisesti mitään mutta tämä jäi elämään suuren yleisön käsityksenä kosmoksemme synnystä, ns. ”alkuräjähdyksestä”.
Nykytiede selittää asian mieluummin ns HBB:nä, eli Hot Big Banginä. Ja tällä termillä viitataan nimenomaan ns inflatonkentän (mikä se sitten on ollutkin, siitä on monia teorioita, yksi suosittu on Higgsin kenttä) hajoamisena hiukkasiksi. Tästä eteenpäin fysiikkamme selittää asioita johdonmukaisesti.
Tämä on kuitenkin toinen asia kuin absoluuttinen (ideologinen) ”ajan ja avaruuden alku”. Kuten Räsänen toteaa: ”siitä emme TIEDÄ mitään”. Suhtis nyrjähtää tässä singulariteetteineen (Hawkin/Penrose) eikä parempaa teoriaa ole (yleisesti hyväksyttynä) keksitty.
”Samoin kiihtyvyys muuttuu jatkuvasti positiivisesta negatiiviseen.” Tarkoittanee perioidia ennen kuin tyhjiöenergia muutti kiihtyvyyden positiiviseksi?
Jos esilämmitysvaihe hukkaa todisteet kehityskulusta niin onko inflaatioteoria tasolla ’paras arvaus toistaiseksi’, kunnes ennakoituja jälkiä löydetään?
Jos inflaatiota ajaneen kentän hajoaminen on synnyttänyt hiukkaset jotka törmäillessään hajoivat toisiksi niin eikö kenttä tule olla painavimpien alkeishiukkasten kenttä sekä kaikkien muidenkin alkeishiukkasten kentät sisältävä jotta hajoaminen keveimmiksi olisi mahdollista, eli inlaatio sisältäisi kaikki alkeiskuikkaskentät, ei pelkästään jonkun yhden kenttä?
Toisaalta, kiinnostaa koska katsotaan koittaneen hetki jolloin ajan kulun voi katsoa alkaneen, koska entropiaa on määriteltävissä jne? Ajan kulun käynnistäminenhän määrittäisi esim. voiko inflaatiolla tai valolla katsoa olleen nopeus, ja siis aika-avaruus lainkaan olemassa, vai pitäisikö sen katsoa syntyneen vasta tuossa inflaatiota ajaneen kentän hajoamistapahtumassa.
Aivan, kiihtyvyys muuttuu miljardeja vuosia myöhemmin taas positiiviseksi joko tyhjön energian takia tai jostain muusta syystä.
Inflaatiota voi vielä järkevästi epäillä, mutta se on tehnyt useita ennusteita, jotka on kokeellisesti varmennettu. Kuten tekstin lopussa mainitaan, inflaation synnyttämät pitkät epätasaisuudet aineessa eivät katoa esilämmityksen melskeissä. Inflaation ennusteista lisää täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/seitseman-ennustusta-menneisyydesta/
Inflaatiokenttä ei koostu yksittäisistä kenttää vastaavista hiukkasista. Esimerkiksi jos Higgsin kenttä on inflaatiota ajava kenttä, se ei koostu Higgsin hiukkasista. Hiukkaset ovat pieniä tihentymiä kentässä, inflaatiota ajava kenttä on tasainen (kvanttifluktuaatioita lukuun ottamatta). Niinpä se voi hajota myös hiukkasiksi, jotka ovat raskaampia kuin Higgsin hiukkanen. Hajoamisprosessi on monimutkainen ja riippuu vahvasti siitä, millainen kenttä on ja millaisia hiukkasia on. Mutta yksi tapa on se, että inflaatiokenttä muuttuu nopeasti ajassa, ja tämän takia sen kanssa vuorovaikuttavien kenttien massa muuttuu ajassa nopeasti (vrt. se miten Higgsin kenttä antaa hiukkasille massat), minkä takia niiden hiukkasia syntyy (ja Higgsin kentän energia pienenee).
Inflaation aikana aika kuluu kuten nytkin. Ei tiedetä mitä tapahtui ennen inflaatiota eli koska aika on alkanut (vai onko maailmankaikkeus ollut aina olemassa).
Avaruuden laajeneminen ja suppeneminen ovat oikeastaan aika mielenkiintoisia prosesseja.
Heti kun avaruus laajenee vähänkin niin sehän laajenee etäältä valoa nopeammin muodostaen kosmisen horisontin, vastaavasti suppeneminen. Tuolla kriteerillä inflaation voisi katsoa jatkuva, avaruus kun etääntyy valon nopeuden ylittäen kosmisen horisontin takana. Laajenemisnopeuden muutos siirtää kosmista horisonttia suuntaan tai toiseen. Kaikkien avaruuden pisteiden laajeneminen tai suppeneminen valon nopeudella on kai mahdotonta koska se edellyttäisi ääretöntä nopeutta. Inflaatioteorian valoa nopeamman laajenemisen prosessi vaikuttaisi oikeastaan tarvitsevan hieman tarkempaa kuvausta mitä sillä tasaisessa keskipisteettömässä avaruudessa tarkoitetaan?
Avaruuden supistuminen sinisiirtäisi etäältä tulevan valon niin energiseksi että se varmaan saisi koko taivaan hehkumaan aurinkoakin kuumempana. Todellinen lämpökylpy.
Avaruuden laajenemisen tahtia ei mitata nopeuden yksiköissä, eli pituus/aika (metrejä/sekunnissa). Sitä mitataan yksiköissä pituus/aika/pituus, koska kappaleet etääntyvät toisistaan sitä nopeammin, mitä kauempana ne ovat.
Tällä hetkellä maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on noin 70 kilometriä/sekunnissa/(3 miljoonaa valovuotta). Tämä tarkoittaa sitä, että jos kappaleiden välinen etäisyys on 3 miljoonaa valovuotta, niin välinen etäisyys kasvaa noin 70 kilometriä joka sekunti. Jos niiden etäisyys on 6 miljoonaa valovuotta, niin välinen etäisyys kasvaa noin 140 kilometriä joka sekunti, ja niin edelleen. Valoa nopeammasta laajenemisesta puhuminen on siksi hieman harhaanjohtavaa.
Tämä ei tarkoita sitä, että kappaleet liikkuisivat, vaan niiden väliin tulee lisää tilaa. Ei ole mitään periaatteellista rajaa sille, kuinka nopeasti kappaleiden väliin voi tulla tilaa.
Horisontti ei synny avaruuden laajenemisesta. Horisontti on se raja, minne asti juuri näemme. Vaikka avaruus ei laajenisi, olisi olemassa horisontti jos maailmankaikkeuden ikä on äärellinen, koska olisi silti alueita, mistä meille ei vielä ole tullut signaaleja.
Laajenemisnopeudessa on paikallisia vaihteluita, ja joissain alueissa (esimerkiksi kun aine romahtaa galakseiksi) avaruus supistuu ja valon energia kasvaa hieman, eli tapahtuu sinisiirtymä.
Avaruus siis laajenee nopeudella , joka kasvaa lineaarisesti niiden välissä olevaan etäisyyteen verrattuina. Kulmakerroin on noin 70/3=23,3. Tästä seuraa jakolaskulla. Valonnopeus/23.3=noin 12800 miljoonaa valovuotta.
Mikä meni pieleen, kun näemme kuitenkin noin 50000 miljoonan valovuoden päähän.
Johtuuko ero valon venymisestä avaruuden mukana, vai teinkö laskuvirheen
Harri
Noilla jako- ja kertolaskuilla ei ole mitään tekemistä tilanteen kanssa.
Maailmankaikkeus on noin 14 miljardia vuotta vanha, joten jos se ei laajenisi, näkisimme 14 miljardin valovuoden päähän. Koska maailmankaikkeus laajenee, kosminen horisontti on kuitenkin kauempana, ja näemme noin kolme kertaa kauemmas, tosiaan noin 50 miljardin valovuoden päähän.
Ei tästä sen enempää.
Enqvist:
”Willem de Sitter oli jo 1920-luvulla osoittanut, että tuolloin maailmankaikkeus laajenisi eksponentiaalisen nopeasti. Vauhti on niin nopeaa, ettei edes valo pysy laajenemisen perässä. Tätä vaihetta Guth kutsui kosmiseksi inflaatioksi. ”
Pedanet:
”Vuonna 1979 Alan Guth oivalsi, että ulkoavaruudessa oli tila, jossa energiaa varastoitui Higgsin kenttään. Joulukuussa hän kokeili Higgsin kenttää oloissa, jotka vastasivat heti alkuräjähdyksen jälkeen vallinnutta tilaa. Tulos oli yllättävä. Higgsin kenttä osoittautui olevan voimakkaasti luotaan työntävä, ja alle 10 potenssiin –35 sekunnissa maailmankaikkeuden koko räjähti 10 potenssiin 100- kertaiseksi.”
Nuo Pedanetin luvut voitaneen kääntää myös laajenemisnopeudeksi yksikköön pituus/aika/pituus ja laskea myös millä etäisyydellä horisontti olisi ollut sillä laajenemisvauhdilla, eli millä (varmaan hyvin pienellä) pituus/aika/pituus -yksikön jälkimmäisen pituus-suureen arvolla laajeneminen ylittää valon nopeuden. Jos tarpeen.
Mutta onko niin että ’ulkoavaruudessa’ on edelleenkin samainen tila, jossa energiaa varastoituu Higgsin kenttään saaden aikaan vastaavan räjähdyspotentiaalin, vai pelkästään ”alkuräjähdyksen jälkeen vallinneessa tilassa”, mitä se sitten tarkoittaneekin?
Tuo Pedanetin teksti ei pidä paikkaansa. Puhe tuollaisesta ”ulkoavaruuden tilasta” on hölynpölyä.
Moi Syksy,
Osaisitko vähän avata jotain kohtia kolumnistasi?
En ymmärrä mitä tarkoitat kentällä.
Enkä mitä on kentän arvo ja kuinka se vähenee ja aiheuttaa laajenemisen hidastumista.
Leivän murujen esilämmitys lämpötasapainoon ja siitä seurannut aika-avaruuden alku on myös asia josta haluaisin soittaa ukille jos hän eläisi.
Monipolvisten vaiheiden jälkien katoaminen lämmityksen aikana ei myöskään aukea.
En tainnut ymmärtää kuin lopusta jotain.
No mielenkiintoista oli, luin tekstin monesti ja kirjoitin ylös kahdesti.
Kiitos ja kivoja tulevaisuuden muistoja.
Tekstissä olikin monta asiaa joita ei selitetty. Yksi niistä on se mikä on kenttä. Asia voi olla helppo hahmottaa ajattelemalla sähkökenttää. Sillä on kaikkialla joku voimakkuus ja suunta. Sähkökenttä ei koostu mistään pienemmästä, se on itsessään perustavanlaatuinen rakennuspalikka. Sähkökentästä vähän lisää täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/valon-vihjeita/
Inflaatiota ajava kenttä on samanlainen kuin sähkökenttä, mutta sillä ei ole suuntaa, ainoastaan voimakkuus. Sähkökentän arvo tarkoittaa sähkökentän voimakkuutta, ja samaan tapaan inflaatiota ajavan kentän arvo kertoo miten voimakas kyseinen kenttä on. Kentän arvo laskee koska maailmankaikkeus laajenee – tätä en tässä tarkemmin avaa.
Niin kauan kuin kenttä on tasainen ja muuttuu hitaasti, sen paine on negatiivinen ja siksi sen gravitaatio on hylkivä. Kentän arvo laskee koko ajan, ja kun se lähestyy pienintä mahdollista arvoa, se ei enää muutu hitaasti. (En selitä tässä miksi!) Silloin sen paine ei enää ole negatiivinen, joten sen gravitaatio muuttuu puoleensavetäväksi ja laajeneminen alkaa hidastua.
Kaikkien tietyn lajin hiukkasten ollessa saman kentän tihentymiä sen hajoaminen hiukkasiksi sen laajennettua ja heikennyttyä hieman epätasaiseksi tuntuu hieman epäloogiselta. Onko kenttä voimakkuudella tilavuuteen nähden tekemistä asian kanssa, samaan kvanttitilaanhan kun voi asettua vain yksi fermioni.
Korjaus, edellisessä kommentissa ’kvattitilan’ sijaan ’tilakvantti’.
Oikea termi on kvanttitila. Kentän voimakkuus suhteessa tilavuuteen ei ole oleellinen.
Kun gravitaatio on hylkivää ja laajeneminen kiihtyy, kentän pienet epätasaisuudet eivät kasva vaan tasaantuvat. Kun gravitaatio on puoleensavetävää, laajeneminen hidastuu ja epätasaisuudet kasvavat. Ne kasvavat sitä nopeammin mitä hitaampaa laajeneminen on. Kun kenttä ryppyyntyy, siitä myös syntyy hiukkasia (pieniä tihentymiä).
Koko prosessi on paljon monimutkaisempi, eikä sen kokonaisuuden selittäminen lyhyesti ja yleistajuisesti ole helppoa.