Käännekohtia
Kirjoitin edellisessä merkinnässä siitä, miten gravitaatioteorioita on ruvettu kartoittamaan tehokkailla algoritmeilla. Uusi lähestymistapa saattaa viedä odottamattomiin suuntiin, mutta toisaalta on epävarmaa kuinka hyödyllistä on luodata monimutkaisia teorioita ilman fysikaalista ymmärrystä. Yksi esimerkki sekä teoreettisen ymmärryksen merkityksestä että yllättävistä käänteistä on kosmisen inflaation kehittäminen 1980-luvun alussa.
Kosminen inflaatio tarkoittaa avaruuden laajenemisen kiihtymistä varhaisessa maailmankaikkeudessa. Se on osoittautunut parhaaksi selitykseksi muinaisen maailmankaikkeuden tapahtumista ja kosmisen rakenteen siemenistä. Inflaatio on selittänyt ja ennustanut galaksien jakauman ja kosmisen mikroaaltotaustan havaintoja erittäin onnistuneesti. Kokeellisen menestyksen ja teoreettisen selkeyden takia inflaatio on vakiinnuttanut paikkansa, ja siitä kirjoitetaan vuosittain satoja tieteellisiä artikkeleita.
Mutta vaikka inflaatio näyttää nyt helpolta, reitti sen luo oli mutkikas.
Inflaation tarinassa keskeistä roolia näytteli Aleksei Starobinsky. Vuonna 1973 hän tapasi Stephen Hawkingin konferenssissa Krakovassa ja kertoi tälle, että pyörivät mustat aukot lähettävät hiukkasia eli säteilevät. Muutamaa kuukautta myöhemmin Hawking näytti, että myös mustat aukot jotka eivät pyöri lähettävät hiukkasia ja menettävät energiaa.
Tämän nykyään Hawkingin säteilynä tunnetun ilmiön löytäminen oli vallankumous gravitaatioteoriassa, kvanttigravitaation etsimisessä ja kosmologiassa. Aiemmin luultiin, että musta aukko, joka ei pyöri, on täysin stabiili – se elää ikuisesti eikä siitä voi saada ulos energiaa.
Hawking osoitti, että yksinkertaisesta tilasta voi syntyä hiukkasia. Löytö avasi ikkunan uuteen suuntaan, ja muitakin aiemmin muuttumattomina pidettyjä tiloja ruvettiin katsomaan eri tavalla.
Vuonna 1979 Starobinsky sovelsi Hawkingin ideaa mustien aukkojen sijaan kiihtyvästi laajenevaan maailmankaikkeuteen ja huomasi, että tyhjästä tilasta syntyy gravitaatioaaltoja, aivan kuten mustasta aukosta syntyy hiukkasia. Mustan aukon tapauksessa kyse on siitä, että tyhjö on hyvin erilainen lähellä mustaa aukkoa ja kaukana siitä, kosmologiassa se, että avaruus on hyvin erilainen eri ajanhetkinä.
Mutta miksi maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyisi? Vuonna 1980 Starobinsky vieraili Hawkingin luona Cambridgen yliopistossa, ja keskusteltuaan tämän kanssa kirjoitti artikkelin siitä, miten kvanttifysiikan vaatimat muutokset yleiseen suhteellisuusteoriaan johtavat kiihtyvään laajenemiseen.
Starobinskyn artikkeli, kuten Hawkingin tutkimus mustien aukkojen säteilystä, liittyi lähinnä teoreettisiin ongelmiin, ei havaintoihin. Yleiseen suhteellisuusteorian perustuvat kosmologiset mallit ennustavat, että maailmankaikkeudella on alku. Alussa kuitenkin sekä aineen tiheys että aika-avaruuden kaarevuus on ääretön, eikä yleinen suhteellisuusteoria silloin toimi: teoria ennustaa oman pätevyysalueensa lopun. Starobinsky osoitti, että kun kvanttifysiikan aiheuttamat muutokset gravitaatioteoriaan otetaan huomioon, niin ongelmallinen alku korvautuu ikuisella menneisyydellä, jossa laajeneminen kiihtyy.
Näitä kvanttikorjauksia gravitaatioon oli ehdottanut jo legendaarinen neuvostofyysikko Andrei Sakharov vuonna 1967. Sakharovin artikkelin (joka oli yhden sivun mittainen) jälkeen ilmestyikin useita tieteellisiä artikkeleita, joissa kvanttikorjausten avulla yritettiin välttää alkutila, jossa tiheys on ääretön. Kolmentoista vuoden ajan ennen Starobinskyä kaikki kuitenkin epäonnistuivat.
Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisulla, missä maailmankaikkeus alkaa äärettömästä tiheydestä ja laajenee sitten ikuisesti on pari, missä maailmankaikkeus on sen sijaan supistunut ikuisesti ja romahtaa lopulta äärettömään tiheyteen. Monet yrittivät kvanttikorjausten avulla pysäyttää romahduksen ja kääntää sen laajenemiseksi. Kukaan ei onnistunut, mutta ajatusta on aina 2020-luvulle asti markkinoitu muka uutena vaihtoehtona inflaatiolle.
Starobinskyn oivallus oli heittää tuo romahtava vaihe yli laidan ja keskittyä tutkimaan ikuista laajenemista vailla alkua. Tämä oli pieni mutta ratkaiseva askel. Starobinskyn artikkeli pohjasi fysikaaliseen ymmärrykseen ja aiheen tarkkaan tuntemukseen, mutta se on konstailematon ja lyhyt, tekstiä on vain kolme sivua.
Tähän artikkeliin on nyt viitattu yli 8 000 artikkelissa. Viittausten määrä ei aina ole laadun tae, mutta 46 vuodessa erottuu, mitkä artikkelit olivat aikoinaan muodikkaita mutta lopulta vähäpätöisiä ja millä on kestävää arvoa.
Heti 1980-81 muut tutkijat hahmottivat, että Starobinskyn idean todellinen merkitys ei liittynyt ollenkaan alun äärettömyydestä eroon pääsemiseen. Se on lähinnä teoreettinen ongelma, koska tuskin tulemme koskaan havaitsemaan alkuhetkeä, vaikka Starobinsky olikin ehdottanut alkuhetkinä syntyneiden gravitaatioaaltojen mittaamista.
Oleellista oli vain kiihtyvä laajeneminen, ja Demosthenes Kazanas, Alan Guth ja Katsuhiko Sato osoittivat, että se tasoittaa maailmankaikkeuden ja siten selittää, miksi se näyttää samalta joka suunnassa.
Samoihin aikoihin Gennady Chibisov ja Viatcheslav Mukhanov laskivat, että kiihtyvän laajenemisen takia tyhjästä syntyy gravitaatioaaltojen lisäksi myös ainehiukkasia. Ne selittävät maailmankaikkeuden pienet poikkeamat tasaisuudesta: keskivertoa tiheämmät alueet, joista kasvaa myöhemmin galakseja ja keskivertoa harvemmat alueet, jotka venyvät tyhjiksi onkaloiksi galaksien välissä. Tämäkin mullistava artikkeli oli muuten vain neljä sivua pitkä.
Kiihtyvän laajenemisen ja hiukkasten syntymisen yhdistäminen havaintoihin oli viimeinen naula. Kaikki oli kasassa. Laskujen matemaattisia yksityiskohtia on sittemmin vuosikymmenien aikana hiottu ja laajennettu, mutta inflaation oleelliset piirteet ja keskeiset ennustukset selvitettiin nopeasti parissa vuodessa.
Inflaatio myös aluksi yhdistettiin hiukkasfysiikan suuriin yhtenäisteorioihin: kvanttigravitaation sijaan haluttiin selittää kiihtyvä laajeneminen niillä ylimääräisillä kentillä, joita nuo teoriat vaativat. Tämä saattoi olla harha-askel, koska suurista yhtenäisteorioista ei ole löydetty merkkiäkään, kun taas todistusaineisto inflaatiosta on kasvanut vuosi vuodelta.
Erilaisia vaihtoehtoja inflaatiota ajavalle kentälle on sittemmin esitetty satoja, ja lisää tulee joka viikko. (Lempiehdokkaani on Standardimallin Higgsin kenttä.) Kokeet ovat sulkeneet pois monia inflaatiomalleja, mutta Starobinskyn alkuperäinen ehdotus sopii yhä havaintoihin erinomaisesti. (Muut ovat sittemmin tosin sitä karsineet ja tämä yksinkertaisempi muoto on laitettu Starobinskyn nimiin, mutta perusidea on sama.)
Starobinsky kuoli joulukuussa 2023, joten kun inflaatiosta annetaan Nobelin palkinto, niin hän ei sitä ehdi saada. Vuonna 2019 Starobinsky totesikin, että fyysikon pitää elää pitkään saadakseen kunnon tunnustusta työstään. Esimerkkinä Starobinsky mainitsi vuonna 2008 kuolleen Chibisovin, jota ei muistettu hänen uraauurtavasta tutkimuksestaan.
Fysiikan läpimurrot liittyvät usein uuteen tapaan katsoa ongelmaa – tai siihen, että aiemmin selvänä pidetty asia muotoillaan ongelmaksi. Joskus tämä vaatii uusien käsitteiden ja laskumenetelmien kehittämistä, mutta monesti työkaluja on jo aiemmin kokeiltu eri yhteyksissä, ja matkalla käsitys siitä mikä on oleellista voi kehittyä nopeasti. Inflaation synnyssä näkyy myös tiedeyhteisön kytkösten merkitys: edistys kumpusi Neuvostoliiton Laundaun koulukunnan perillisten ja länsimaisten tutkijoiden ajatusten vaihdosta. Kun aika on kypsä, eri tutkijat käyvät läpi samoja käänteitä tutkimuksen maaston mäissä ja huipuissa suunnistaessaan.