torstai 5. huhtikuuta 2018

Viime viikon maailmanloppu

Taas yksi avaruuskuva.

Sopivasti pääsiäisen alla muun muassa Helsingin Sanomat uutisoi iloisella otsikolla "Tutkijat laskivat: Maailmankaikkeus saattaa olla jo tuhoutumassa, emmekä edes ehtisi reagoida siihen". Uutinen kertoo tuoreesta tutkimusartikkelista, joka ennustaa juurikin otsikossa kuvaillun maailmanlopun skenaarion.

Itse olisin korostanut asian epätodennäköisyyttä ja taustaa ehkä enemmänkin, mutta minusta ja artikkelin kirjoittajasta vain jälkimmäinen on alansa ammattilainen. Artikkeli sitä paitsi on ihan hyvin kirjoitettu, ja vieläpä linkkaa alkuperäiseen tutkimukseenkin. Jutusta minulla ei siis ole mitään moitittavaa. Sen sijaan jäin miettimään, kuinka epätodennäköinen maailmanloppu oikeasti on.

Selasin siis läpi alkuperäisen tutkimusartikkelin, josta en tietenkään pelkällä lukiofysiikalla pysty sanomaan liikaa. (Sinua on varoitettu: teen varmasti monentasoisia virheitä!)

Ei läheskään kaiken teoria

Pohjimmiltaan kaikki koostuu hiukkasista. Atomit koostuvat protoneista ja neutroneista — jotka itsessään koostuvat ylös- ja alas-kvarkeista — sekä elektroneista. Näiden lisäksi on kuitenkin kourallinen muita hauskoja hiukkasia, jotka ilmenevät erilaisissa prosesseissa ja välittävät voimia. Kollektiivisesti näitä kutsutaan alkeishiukkasiksi, vaikka onkin mahdollista, että ne koostuvat jostain vielä pienemmästä — sitä vain ei nykytekniikalla voi tietää. (Hyvä opas tietomme aukkoihin on hiljattain vinkkaamani We Have No Idea.)

Tällä hetkellä hiukkasten ominaisuudet selittää parhaiten standardimalli, alkeishiukkasten vastine jaksolliselle järjestelmälle. Se on 1900-luvun fysiikan suuri saavutus ja selittää lähes kaiken hiukkasista... mutta vain lähes. Muun muassa sellaiset pikkupikkujutut kuin pimeä energia/aine ja painovoima ovat vielä ulkopuolella. Parempaa teoriaa odotellessa standardimalli täyttää kuitenkin käytännön tarpeet mainiosti.

Yksi arkki riittää! Mukana paristot! Tilaa heti!

Hiukkasten maailmassa kaikki on toisin kuin isossa mittakaavassa: siellä nimittäin vaikuttaa kvanttimekaniikka, johon kuuluu jatkuva satunnaisuus. Hiukkaset ovatkin sekä hiukkasia että aaltoja. Mitään mittausta ei voi tehdä tarkasti. Hiukkanen saattaa siirtyä esteen toiselle puolelle. Tyhjiöön ilmestyy jatkuvasti uusia hiukkasia, jotka katoavat samassa silmänräpäyksessä kuin tulevat.

(Mainittakoon muuten, että parhaatkin maanpäälliset tyhjiömme ovat ulkoavaruuden tyhjiöön verrattuna kuin Sokos joulun alla. Ei siis kirjaimellisesti täynnä mummoja, vaan... no, ymmärrät varmaan.)

Standardimallin taustalla on kvanttikenttäteoria, joka selittää hiukkaset eräänlaisten kenttien viritystiloina. Kuten jokainen teinin nähnyt tietää, asioilla on tapana etsiä mahdollisimman vähäenerginen tila. Vesi ja teinin ryhti valuvat alaspäin, koska siten ne minimoivat potentiaalienergiansa Maan painovoimassa. Mutta entäpä jos teini tai kenttä onkin vain kuopassa, jonka vierellä olisi syvempi kuoppa?

Teini röhnöttää kuopassa.

Jos teini toimii kvanttimekaanisesti, hän saattaa jossain kohtaa vain hypätä kummun läpi ja luisua yhä alemman energian tilaan.

Teini retkottaa syvemmässä kuopassa.

Jos näin käy teinille, kukaan ei ylläty. Mutta jos niin käy hiukkaset muodostavalle kentälle, kaikki yllättyvät. Silloin nimittäin hiukkasiin pätevät luonnonlait menevät uusiksi, ja se ei tee vanhanaikaisille hiukkasille hyvää. Syntyy valonnopeudella laajeneva kupla, joka tuhoaa edetessään kaiken.

Tämä on se mekanismi, jolla Higgsin bosoni ja hiukkaskiihdyttimet aiheuttavat maailmanlopun. Maapalloon tosin mäjähtää avaruudesta joka hetki paljon energisempiäkin hiukkasia, jotka eivät ole (toistaiseksi) aiheuttaneet apokalypsiä. Yllättävää kyllä, tämän Hollywood-fysiikan taustalla on silti ihan oikeaa tiedettä!

Ei niin todennäköinen loppu

Meidän kannaltamme olennainen asia on tapahtuman todennäköisyys. Kuinka paljon elinaikaa universumilla on jäljellä? Tämä on sen verran olennainen kysymys, että vastaus löytyy artikkelista parinkymmenen sivun tiukkojen perustelujen jälkeen.

Lukuarvo on... (rummunpärinää... kiusallisen pitkä odotus... juontaja kääntyy kameraan päin...)

\[ 10^{139^{+102}_{-51}}~\text{vuotta}. \]

Suomeksi se tarkoittaa sitä, että kohtalaisella varmuudella universumin eliniänodote on ainakin $10^{139-51} = 10^{88}$ vuotta. Tähän mennessä ikää on kertynyt rapiat $10^{10}$ vuotta. Siispä ennustetusta ajasta on kulunut nyt yksi 1000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000-osa.

Kuten television paneeliohjelmassa sanotaan, ei pidä olla huolissaan.

Koska kvanttimaailma on satunnainen, mikään ei periaatteessa estä tuomiopäivän heilahdusta tapahtumasta nyt, tai toissapäivänä, tai kuusikymmentä miljoonaa vuotta sitten tiistaina. Tutkijat kuitenkin arvioivat myös todennäköisyyden sille, että tuntemamme maailma olisi tuhoutunut tähän päivään mennessä. Koska tähän päivään mennessä on kulunut miljardeja vuosia ja tuhatkin vuotta on siinä skaalassa kärpäsenkakka, samalla saadaan roima yliarvio lopun todennäköisyydelle lähiaikoina.

Tutkijoiden ylin arvio todennäköisyydelle on $10^{-314}$. Tämä tarkoittaa lukua, jossa on nolla, pilkku, 313 nollaa ja ykkönen. Elikkä siis 0,00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­00000­1.

Tämä luku ei välttämättä ole täysin intuitiivinen, joten palataanpa kymmenpotenssimuotoon. Lottovoiton todennäköisyys on osapuilleen $10^{-7}$. Koska $314 \approx 45 \cdot 7$, todennäköisyys sille, että maailma olisi ehtinyt loppua tähän mennessä on suunnilleen sama kuin se, että voittaisit vuoden ajan joka viikko Lotossa, yhdellä rivillä per kierros. Se ei kuulosta enää niin todennäköiseltä, ja kyseessä oli vain pahin mahdollinen skenaario!

Jos muuten aiot tehdä tämän tempun, suosittelen pelaamaan mieluummin Eurojackpotia. Kierroksia ei tule kovin montaa vähempää — ja rivin korkeampi hinta tarkoittaa isompia kuluja — mutta kierroskohtaiset voitot ja hupaisan kansainvälisen selkkauksen riski ovat huomattavasti suurempia.

Miksi pelaat edelleen?

Kaiken mahdollisen teoria

Mutta mistä se otsikon "Maailmankaikkeus saattaa jo olla tuhoutumassa" sitten tulee? Syypää on äärettömyys. Maailmankaikkeus, jonka me näemme, on äärellinen, koska valolla on äärellinen nopeus. Kauempaa lähtenyt valo ei ole vielä ehtinyt tänne. Toisaalta näkyvä osa on isompi kuin alkuun luulisi, koska maailmankaikkeus paisuu kuin pullataikina ja siksi kaukaiset jutut ovat joskus olleet lähempänä. Mutta kuinka iso koko maailmankaikkeus on, sitä ei kukaan tiedä (vielä).

Koko universumi on kilpikonnan muotoinen.

Jos universumi on äärettömän suuri, jossain nurkassa maailmanloppu on alkanut. Äärimmäisen pieni todennäköisyys kertaa ääretön on näet edelleen ääretön. Eri asia on, saavuttaako tyhjiökupla koskaan meitä, tai onko universumi todella ääretön vaiko vain valtava.

Hiljattain edesmennyt fyysikko Stephen Hawking piti mahdollisena, että universumeja — äärettömiä tai äärellisiä — on äärettömän monta erilaista, kaikki eri luonnonlaein tai hieman poikkeavin satunnaisin tapahtumin. Koska mitä tahansa voi tapahtua kunhan tarpeeksi monta sattumaa kohtaa, seuraus on, että kaikki on mahdollista. (Vielä kun universumien välillä voisi siirtyä...)

Erään esitelmän jälkeen Hawkingilta kysyttiin, mitä hän ajattelee Zayn Malikin erosta One Direction -poikabändistä. "Viimeinkin tärkeä kysymys," Hawking aloitti, ja sitten totesi, että jos maailmankaikkeuksia todella on useita, jossakin niistä Zayn vielä kuuluu bändiin — ja vieläpä on onnellisesti naimisissa kysyjän kanssa.

Älä ikinä väitä, etteikö teoreettinen fysiikka vastaisi elämän olennaisiin kysymyksiin.

- Jossain universumissa siis kaikki pitävät matikasta JA ruotsista! - Ääretön kertaa pieni luku, ei kertaa nolla.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti

Kommentit ovat moderoituja — yritän hyväksyä kommenttisi mahdollisimman pian. Voit kirjoittaa kommenttiin LaTeX-koodia tai yksinkertaista HTML-merkintää: lue lisää Kommentointi-sivulta.