Kosmokseen kirjoitettua

Helpommin virheistä

18.6.2025 klo 21.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tänään kollegani Jacopo Fumagalli Barcelonan yliopistosta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreettisten kosmologien kaksi ja puoli vuotta kestäneestä kiistasta sitä, miten käsitellä kvanttifysiikkaa laajenevan maailmankaikkeuden alkuhetkillä.

Väittelyssä on ollut mukana tunnettuja teoreetikkoja ja siitä on kirjoitettu nopeaan tahtiin kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Nyt sumu vaikuttaa hälvenneen, ja Fumagalli on yksi niistä, jotka ovat näyttäneet valoa.

Kiistan alussa ovat muinaiset mustat aukot – tai oikeastaan sellaiset mallit kosmiselle inflaatiolle, jotka tuottavat mustien aukkojen siemeniä. Inflaatio on onnistunein selitys maailmankaikkeuden rakenteiden alkuperälle. Ideana on, että hyvin varhaisina aikoina jokin kenttä (kenties Higgsin kenttä) täyttää avaruuden ja saa sen laajenemiseen kiihtymään.

Avaruuden laajeneminen venyttää kvanttivärähtelyitä hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmiseen mittakaavaan. Inflaation loppuessa kenttä hajoaa hiukkasiksi: sinne missä kentän energia on kvanttivärähtelyjen takia isompi, syntyy enemmän hiukkasia. Nämä epätasaisuudet sitten kasvavat gravitaation takia ja lopulta romahtavat galakseiksi, tähdiksi ja muiksi klimpeiksi.

Tämä osa tarinaa on teoreettisesti tunnettu jo 1980-luvulta ja kokeellisesti testattu 1990-luvulta alkaen. Mutta jos inflaatio synnyttää pieniä ison mittakaavan epätasaisuuksia joista syntyy galakseja, voisiko se myös saada aikaan isoja pienen mittakaavan epätasaisuuksia jotka romahtavat mustiksi aukoiksi ja selittävät pimeän aineen? Muinaisten mustien aukkojen tuottaminen inflaation avulla on nykyään hyvin suosittua (minäkin työskentelen sen parissa).

Inflaatio on ainoa fysiikan alue, missä on onnistuneesti yhdistetty yleinen suhteellisuusteoria (joka selittää kiihtyvän laajenemisen) ja kvanttifysiikka (joka selittää epätasaisuuksien siemenet) ja testattu ennusteita havainnoilla. Mutta meillä ei ole kvanttigravitaatioteoriaa, joka kertoisi miten kuvata aika-avaruutta ja gravitaatiota kokonaan kvanttifysiikan keinoin. Osaamme laskea mitä inflaatiossa tapahtuu vain silloin, kun kvanttivärähtelyt ovat pieniä. Mustien aukkojen tuottamiseen tarvitaan kuitenkin isoja massakeskittymiä, ja siis isoja kvanttivärähtelyjä.

Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama iskivät tähän mahdolliseen ristiriitaan. He väittivät, että mustien aukkojen vaatimat isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation oikeaksi osoittautuneet ennusteet galaksien siemenistä, ja että tämä sulkee pois inflaation selityksenä mustille aukoille. (Tai ainakin suurimman osan siihen esitetyistä malleista.)

Vahva väite herätti paljon huomiota, ja sekä idean kannattajat että vastustajat panivat tiuhaan tahtiin useita lyhyitä artikkeleita arXiv-nettiarkistoon, missä he arvostelivat toistensa laskuja ja perusteluita. Osa niistä on sittemmin julkaistu vertaisarvioiduissa tieteellisissä lehdissä, mutta ideoiden todenperäisyyttä ei oikeasti tarkisteta vertaisarvioinnissa, vaan silloin kun muut tutkijat vastaavat niihin julkisesti.

Inflaation kvanttifluktuaatioiden toisiinsa kohdistaman vaikutuksen selvittäminen vaatii pitkiä ja huolellisia laskuja. Usein kun fyysikot lähtevät tekemään jotain vaivalloista, he miettivät etukäteen joidenkin yleisten periaatteiden ja karkeiden arvioiden perusteella, mikä vastaus suunnilleen olisi.

Fumagallilla oli selvä näkemys. Hän oli vakuuttunut, että mustista aukoista vastuussa olevat kvanttifluktuaatiot eivät voi vaikuttaa niihin, jotka synnyttävät galakseja, koska ne ovat paljon pienemmässä mittakaavassa. Fysiikassa on tapauksia, joissa pienten pituuksien ilmiöt vaikuttavat isompiin, mutta yleensä eri mittakaavojen tapahtumat ovat erillään. Ei tarvitse tuntea hiekanjyvien yksityiskohtia Maan ja Kuun liikkeiden laskemiseksi.

Fumagallilta sai puolessa vuodessa valmiiksi ensimmäisen artikkelin, missä hän pyrki osoittamaan, että kun kaikki isolta näyttävät kvanttikorjaukset otetaan huomioon, ne kumoavat toisensa. Ajatus oli oikein, mutta lasku väärin, koska Fumagalli oli sivuuttanut osan tärkeistä kvanttikorjauksista. Puutteen korjaaminen kesti yli vuoden, mutta lopulta Fumagalli sai kerättyä kaiken kauniisti yhteen, ja osoitti että jok’ikinen hankalalta näyttävä kvanttikorjaus menee vastakkain toisen samanlaisen kanssa.

Samalla muutkin olivat saaneet yhä huolellisempia laskuja tehtyä, ja tulokset kallistuvat nyt selvästi sen puolelle, että Kristianon ja Yokoyaman osoittamaa ongelmaa ei ole olemassa. Mutta vaikka heidän väitteensä osoittautui vääräksi, se ei ollut turha.

Protofyysikko Francis Bacon totesi 1600-luvulla, että totuus löytyy helpommin virheistä kuin sekaannuksesta. Kristianon ja Yokoyaman esittämä lasku oli selkeä, ja se houkutteli muita tekemään tarkempaa tutkimusta sen osoittamiseksi vääräksi tai oikeaksi. Samalla kun tähän nimenomaiseen kysymykseen saatiin vastaus, niin kehitettiin sekä ymmärrystä että laskumenetelmiä varhaisen maailmankaikkeuden kvanttifysiikalle, millä saattaa vielä olla yllättäviä sovelluksia.