Kosmologi ja matemaatikko Stephen Hawking in memoriam

Cambridgen yliopiston kosmologian professori Stephen Hawking (8.1. 1942 Oxford – 14.3. 2018 Cambridge) haudattiin 21.3.2018 Westminster Abbey -kirkkoon, jonne ovat haudattuna myös mm. Isaac Newton ja Charles Darwin. Hän hoiti vuosikym- meniä Cambridgen yliopiston kosmologian professuuria, Newtonin entistä virkaa. Hänen Ajan lyhyt historiansa on maailman kuuluisin ja parhaiten myynyt populaari tiedekirja. Hawking tunnetaan paitsi teorioistaan, populaareista kirjoistaan, koulutta-mistaan uusista kosmologeista ja yhteiskunnallisesta osallistumisestaan,myös ääreis- hermoston ALS-taudista, jota hän on sairastanut koko uransa ajan yli 50 vuotta.

Alkuräjähdysmallien tärkein kehittelijä oli Higgsin Bosonin arvovaltaisin epäilijä

Hawking oli erityisesti alkuräjähdysteorian ja siihen tiukasti liittyvän mustien aukkojen teorian kehittäjiä. Musta aukon synnyssä on ”ajan nuoli on toisin päin” kuin alkupau-kussa. Alkuräjähdyteorian mahdollisuuden olivat esit- täneet toisistaan riippumatta neuvostoliittolainen matemaatikko Aleksandr Fridman 1922 ja belgialainen tähtitie- teilijä ja pappi George Lemaitre 1927. Neuvostoliitosta Englantiin 1933 siirtynyt tu- leva fysiikan nobelisti Georgi Gamov laski, että paukusta olisi pitänyt jäädä avaruu- teen 3 kelvin-asteen tasanjakautunut taustasäteily,jollainen sitten löydettiinkin ennus- teen mukaisena 1964 (Penzias, Wilson). Tästä alkoi Hawkinginkin edistyneiden al-kuräjähdysmallien kehittely. Liekö vaikuttanut Gamovin ”puolenvaihtoon”, että NL:ssa ei 30-luvulla virallisesti hyväksytty alkuräjähdysteoriaa.

Tästä huolimatta hän oli alkuräjähdyteoriaan olennaisesti liittyvän Higgsin bosonin viimeisin ja arvovaltaisin epäilijä, kunnes (jokin) sellainen paikannettiin vuonna 2012 EU:n CERNissä 125 GeV (gigaelekt-ronivoltin) energialla. Epäilyksiä oli lisännyt, että edellinen kymmenien miljardien arvoinen laitteisto oli jäänyt jonkin prosentin alle tuon ja mahdollisen ylärajan 130 GeV. Löytöä vahvistaa parin vuoden takai-nen jo Nobel-palkittukin gravitaatioaaltojen löytyminen ja niiden liikkuminen valonnopeudella, mikä osoittaa, että sähkömagnetismi ja gravitaatio ilmeisimmin syntyivät yhdessä ”alkuräjähdyksessä”.

Hawking esitti täysin uudentyyppistä gravitaatioteoriaa

Stephen Hawkingin viimeisen kirjan ”Suuri suunnitelma” (The Grand Design 2010) teoriapläjäys on,että gravitaatio olisi massa- ja liike-energiaan nähden negatiivista energiaa, ja maailmankaikkeuden kokonaisenergia olisi nolla. Potentiaalienergia ei olisikaan vain laskennallinen suure, vaan materiaalinen ilmiö, jota kumotaan, kun esi- merkiksi kappaletta nostetaan ylöspäin gravitaatiokentässä. Tämä tarkoittaisi uutta fysikaalista maailmanku- vaa, ideologiaa, paradigmaa. Tällä esimerkiksi ei ole teke- mistä sen kanssa, miten energian säilyvyyden laki nyt johdetaan ns. ajanalkupistein-varianssin perusteell eli sillä, että teorian ennusteet eivät saa riippua siitä, mikä hetki valitaan ajan alkupisteeksi (Moskovan yliopiston professori Emmy Noether 1915). Kirja kirjoitettiin ennen Higgsin bosonin löytymistä ”hyvissä ajoin” uudeksi vaihtoehtoiseksi maailmankuvaksi.

On huomattava, että HIGGSIN BOSONIN LÖYTYMINEN, JOKA SELITTÄÄ VAIN HITAAN MASSAN, EI KUMOA HAWKINGIN ”ENERGIATASAPAINOTEORIAA´, vaikka Higgsin bosonin olemattomaksi todistaminen olisikin kumonnut nykyisenlai- sen alkuräjähdysteorian ja standardimallin, joista sille bosonille oli laskettu energiara- jat,ja tuonut tilalle useita muita eri teorioita. Energiatasapainoteoria olisi mahdollis- ta vaikka siten,että olisi energialtaan positiivinen Higgsin bosoni, joka aiheuttaisi Higg- sin kenttän ja hitaan massan, ja energialtaan negatiivinen ”Higgsin vastaboso- ni”, joka aiheuttaisi (esimerkiksi ”hiukkaspaineella” (Le Sage, Samuel Tolver Pres- ton) ja varjostamalla gravitaation,ja nuo syntyisivät ja katoaisivat pareittain kuin muutkin hiukkaset. Hitaan ja raskaan massan yhtä suuri itseisarvo johtuisi tästä! Nyt se on muuten aivan puhdas aksiooma, jona varassa YLEINEN suhteellisuus- teoria makaa, ja osoittaa kokeellista paikkansapitävyyttä ainakin hyvin massiivisten olioiden kuten taivaankappaleiden piirissä.

Hawking fysiikanfilosofia on ´malliriippuvainen realismi´

Hawkingin lanseeraaman ”malliriippuvaisen realismin” filosofian MALLI on mate- maattinen konstruktio, joka on MÄÄRITELMÄLLISESTI TOSI, jos se ennustaa uusia kokeellisesti havaittavia ilmiöitä oikein. Kysymys vastaavuudesta materiaalisen todelli- suuden kanssa asettuu VAIN KOKEEN (ja loogisen ristiriidat-tomuuden) kautta (”loo- ginen empirismi”). Tiede on itse itsensä ainoa kriteeri, ei esimerkiksi materiaalinen käytäntö. Itse asiassa tuo ei ole aivan uutta, vaan se on instrumentalismiksi nimitettyä tieteenfilosofiaa ainakin totuuskäsitykseltään.

Mallit ja teoriat kuvaavat luonnonlakeja. Hawking kelpuuttaa ”luonnonlain” vain eh- dottoman muuttumattomat ilmiöt. Hawking ymmärtää alkuräjähdyksen olevan seu-rausta sellaisista luonnonlaeista, joista perustavimmat olisivat ”ehdottoman muuttu-mattomia” jopa alkuräjähdyksen yli.Sen sijaan (ja juuri tästä johtuen) jokin tämän het-ken todella toteutuva ”prosessi” (tapaus) voisi vaikuttaa myös ”ajassa taaksepäin” sii-hen, miten prosessin ”rakennuspalikat” ovat olleet joskus menneisyydessä. Tämä kä-sitys on ”hienossa” sopusoinnussa ”Wheelerin madonreikien” ja ”aikamatkailun” kanssa,mutta jyrkässä ristiriidassa objektiivisen emergenssin (dialektisen materia- käsityksen) kanssa. Hawking tulee ”kahdensuuntaisen ajan” olettaessaan olettaneek- si myös (olemattoman) ”informaation syntymättömyyden ja häviämättömyyden lain”… (Tosin hän on myös esittänyt,että sitä ehkä katoaa ja syntyykin, juuri mustissa aukoissa.)


Malliriippuvainen realismi ja dialektinen materialismi

Teoria mahdollisuuden ja todellisuuden vuorovaikutuksesta ja erilaisesta olemassa-olosta Hawkingin ”mallista” puuttuu.Mahdollisuuden (tulevaisuuden) ja menneisyyden matematiikka on samaa kuin nykyhetkenkin, mutta olemassaolo kun ei ole ainakaan pelkkää matematiikkaa… Dialektisen materialismin mukaan ehdottoman muuttu-mattomia luonnonlakeja ei ole lopulta olemassakaan, koska mitään määrää ei voida rajattomasti lisätä ilman,että jossakin vaiheessa tapahtuisi laadullinen muutos, jonka jälkeen teorian aina ennustama ”määrä” ei olisi enää relevantti. Tämä ei suinkaan tarkoita, että ei olisi minkäänalsia luonnonlakeja, jokaisella lailla on pätevyytensä rajat ja jokaisella teorialla sovellettavuutensa rajat DM:n mukaan, mm. ajassa ja avaruu-dessakin. (Muutoin puhuttaisiin määrällisten muutosten laadullisiksi muuttumisen periaatteesta eikä laista.) 

Dialektinen materialismi pitää lähtökohtanaan sitä, että materian dialektisen kehi- tyksen ohella syntyy myös uusia objektiivisia luonnonlakeja ja lainalaisuuk- sia, kuten ovat syntyneet järjestyksessä kemian, biologian ja yhteiskuntakehityksen lainalaisuudet. Luonnonlait kehittyvät materian kehityksen ohella, muta samalla men- neisyys on lukkoonlyöty, eikä sitä voi muuttaa (determinismin periaate). Luonnonla-keja voi myös kadota, jos kaikki niitä kantavat materiaaliset oliot lakkaavat olemasta kyseisellä emergenssitasolla.


Stephen Hawking oli joka tapauksessa mitä merkittävin aikakautemme tiedeihminen.

Toivottavasti hänen teorioillaan omalta alaltaan tulee vielä tulevaisuudessa- kin olemaan mahdollisimman paljon todistuvaa sanottavaa maailmankaikeu- desta, sen alkuperästä, rakenteesta ja kehityslaeista!



***

Tämä kehityskulku ei ole mahdollista,jos Higgi9sn bosnilla on "vastakappale": kvantti- flukuktuaatiossa syntyvää vääränpainoista bososnia vastaisi myös vääränpainoinen vastahiukkanen, eikä enegiannolla summa häiriinny.

Muutoinikin teoria perustuu sille, mitä Higgsin bosonista aivan ensi alkuun oletettiin: että se sijaitsisi mahdollisen energialaueen "keskellä" n. 60 GeV:n kohdalla, lisäksi voisi olla tämän kerrannaisia yksi tai kaksi kappaletta. Tuota aluittatta "kammattiin" 10 vuotta edellisellä laitteistolla löytämättä mitään. Tämä lasketun mahdollisen ylärajalta löytyvä bosoni tarkoittaa, että ei ole kerrannaisia.

Nyt tässä kuplateoriassa oletetaan ilmeisesti, että "eri painoilla olisi omat kuplansa", ja bosoni voisi muuttua toisesta toiseksi, ehklä jakautua. Ei ole sitäkevyempää. Jos olisi sellainen olsi löydetty. Sen sijaan muuten voi olla erilaisia suurin piirein samalla energiaisteisarvolla.

Maailmankaikkeus saattaa tuhoutua aivan yllättäen. Kuva: NASA / ESA

Muutos Higgsin hiukkasen massassa voi synnyttää valon nopeudella laajenevan tyhjiökuplan, joka pyyhkäisee kaiken tieltään.

Maailmankaikkeus ei välttämättä lopu hitaasti hiipumalla, vaan yhtä yllättäen kuin jos joku napsaisisi huoneesta valot pois päältä.

Harvardin yliopiston tutkijoiden laskelmien mukaan ennen pitkää jossain maailman-kaikkeuden nurkassa tapahtuu kvanttitason nytkähdys, jonka seurauksena syntyvä tyhjiöenergian kupla hajottaa koko universumin. Kupla laajenee ja etenee valon nopeudella, joten emme ehtisi huomata mitään, kun se saavuttaa meidät.

Maailma vain tuhoutuisi alle silmänräpäyksessä.


Tuhon käynnistäisi yllättävä muutos kuulun Higgsin hiukkasen massassa. Kvantti-maailman ilmiöt ovat arkijärjelle mahdottomia ymmärtää,mutta karkeasti ottaen asian voisi selittää seuraavasti.


Higgsin hiukkaset ovat alkeishiukkasia. Niistä muodostuu Higgsin kenttä, josta muut hiukkaset saavat massansa.Niin kauan kuin Higgsin hiukkasen massa on vakio, kaikki on hyvin ja maailmankaikkeus pyörii tuttujen luonnonlakien mukaan. Higgsin hiukkasen massaksi on nyt mitattu 125 gigaelektronivolttia.

On kuitenkin mahdollista, että Higgsin massa on pienempi. Tällöin se ei olisikaan pienimmän energian tilassa, vaan maailmamme olisi vain väliaikaisesti tasapainossa. Eläisimme niin sanotussa valetyhjiössä, ikään kuin laaksossa kukkulan juurella.

Tuon kukkulan toisella puolella olisi syvempi laakso, jossa Higgs pääsisi vielä pienem- män energian tilaan ja sinne se haluaisi mennä. Tämä syvä laakso olisi niin sanottu oikea tyhjiö, jossa hiukkasten massat ja tätä myötä luonnonvakiot ovat erilaiset. Jos Higgsin hiukkanen tavalla tai toisella nytkähtää tuon kukkulan yli, kaikki romahtaisi sen mukana kuin jos kylpyammeesta vetäisisi tulpan irti.

Tällainen kvanttinytkähdys voi tapahtua täysin sattumanvaraisesti missä tahansa päin maailmankaikkeutta. Silloin syntyy kupla, oikea tyhjiö, joka alkaa laajentua valon nopeudella ja imaisee lopulta koko universumin.

Kuplan sisällä fysiikan lait eivät ole enää samat kuin meidän tuntemassamme maail-mankaikkeudessa, vaan kaikki pyyhkiytyisi pois. Koska tämä kupla etenisi valon no- peudella, sen saapumisesta ei tulisi mitään ennakkovaroitusta. Emme huomaisi mitään, vaikka tuon tyhjiökuplan reuna olisi nyt jo Kuun kohdalla.

”On vapisuttavaa ajatella tällaista kuplaa, jonka negatiivisen energian seinä jyrää meitä kohti valon nopeudella”, kertovat tutkijat New Scientist -lehdessä.

Jos universumi on mittaamattoman suuri, jossain päin maailmankaikkeutta tällainen kvanttinytkähdys on jo voinut tapahtua ja luonnonlait mylläytyvät parhaillaan uusiksi.

Hätä ei kuitenkaan todennäköisesti ole tämän näköinen.

”Voimme 95 prosentin varmuudella olettaa maailmankaikkeuden säilyvän ainakin 10 potenssiin 58 vuotta", tutkijat kirjoittavat artikkelissaan Physical Review D -lehdessä.

Luvussa on 58 nollaa. Se on siis rapiat kvintiljoona kvintiljoonaa vuotta. Aurinko on jo sammunut kauan ennen tätä.

Ajatus tällaisesta valetyhjiön synnyttämästä maailmanlopusta ei ole uusi. Harvardin fyysikoiden, Anders Andreassenin, William Frostin ja Matthew D. Schwartzin artikkelissa uutta on entistä tarkempi arvio siitä, milloin kaikki sitten varmasti loppuu.

Vastaus on, että kaikki on mennyttä viimeistään 10 potenssiin 139 vuoden päästä. Tuossa luvussa on siis 139 nollaa. Tuhon tuottavia tyhjiökuplia voisi syntyä esimer- kiksi mikroskooppisten mustien aukkojen vaikutuksesta. Ne toimisivat eräänlaisena käynnistäjänä Higgsin hiukkasen romahdukselle.

Ja koska maailmankaikkeus on valtavan suuri ja aikaa on valtavan paljon, on mahdollista, että ennen pitkää jotain tällaista tapahtuu – ainakin matemaattisesti.

Valetyhjiön mahdollisuus herätti runsaasti keskustelua, kun Higgsin hiukkanen näytti muutama vuosi sitten löytyneen.

Kosmologi, professori Kari Enqvist kommentoi tuolloin Helsingin Sanomissa, että tyhjiökuplan aiheuttama maailmanloppu on vain ”yksi miljoonista” teorioista ja ”hyvin spekulatiivinen”.

Higgsin ja muiden alkeishiukkasten tutkimus jatkuu ja sitä kautta voimme ymmärtää aina enemmän maailmankaikkeuden rakenteesta.