Arkistoitu

Multiversumit ja madonreiät - mahdollisia vai ei?


Kysymykset multiversumeiden olemassaolosta ja madonreistä mietityttävät Luovan lukijaa. Teoreettisen fysiikan dosentti Iiro Vilja selventää vastauksessaan miksi tämä on teoreettisen fysiikan tutkijoillekin mielenkiintoinen kysymys.

Kuvitettu näkymä mustasta aukosta Suuren Magellanin pilven edessä. Kuva: Alain r / CC BY-SA 2.5

Luovan lukija on esittänyt kysymyksen: “Onko muiden maailmojen olemassaolo kuinka mahdollinen? Entä pystyykö madonreikiä, mustia-aukkoja tai muuta vielä havaitsematonta portaalia käyttämään matkustamiseen maailmasta toiseen? Ja onko näitä mahdollista mitenkään tutkia vai jääkö kaikki puhtaasti arvailujen varaan?

Lukijan kysymykseen vastasi Iiro Vilja teoreettisen fysiikan dosentti ja lehtori Turun yliopistosta:

Kysymyksessäsi tarkoittanet muilla maailmoilla muita universumeja eli maailmankaikkeuksia, et omassa maailmankaikkeudessa olevia “muita maailmoja”, ts. paikkoja (tähtiä/galakseja) jossa olisi mahdollisesti elämää.

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sallii, että kaikkeudessa on toisistaan enemmän tai vähemmän irrallisia osia, omia universumeita eli maailmankaikkeuksia. Nämä universumit noudattavat kukin omia lainalaisuuksiaan; kun spekuloidaan gravitaation kvanttiteoriasta, havaitaan, että olosuhteet aina fysiikan lakeja myöten voivat olla kussakin universumissa erilaiset.

Tälläinen monista universumeista koostuva multiversumi on siis fysiikan teorioiden matemaattisen rakenteen kannalta mahdollinen. Näiden rakenteiden pohtiminen ja erilaisten mahdollisuuksien (matemaattinen) tarkastelu onkin mielenkiintoista ja hauskaa puuhaa, jota monet kosmologit tekevät.

Multiversumeihin liittyy kuitenkin fysiikan kannalta yksi keskeinen ongelma. Jos multiversumin universumit ovat irrallisia, vuorovaikuttamattomia palasia, se tarkoittaa erityisesti sitä, että näistä toisista universumeista ei meidän universumissamme ole saatavissa minkäänlaista havaintoa. Niinpä fysiikka empiirisenä tieteenä ei oikeastaan ota kantaa siihen, onko nämä vieraat universumit oikeasti olemassa: havaintojen puuttuessa niistä ei voi sanoa oikeastaan mitään.

Tällöin kysymys multiversumista on enemmänkin filosofinen. Se kytkeytyy merkittävään kysymykseen siitä, onko kaikki sellaiset ilmiöt, jotka fysiikan teoriat sallivat aina välttämättä myös oikeasti olemassa. Asiasta keskustellaan ja siitä ollaan monenlaista mieltä. Jos vastaus on kyllä, niin nykyteorioiden valossa pitää olettaa multiversumihypoteesin olevan totta, vaikka havaintoja ei ole; jos vastaus on jotain muuta, niin asia on auki.

On myös mahdollista, että multiversumin universumit vuorivaikuttavat tai ovat yhteydessä jollakin tavalla. Tätäkin on paljon tutkittu, miten se olisi mahdollista. Yksi mahdollisuus olisi madonreiät. Madonreikä on tunnelimainen rakenne, ”oikotie” aikapaikka-avaruuden pisteestä toiseen. Suhteellisuusteorian matematiikka sallii tällaisenkin olemassaolon.

Madonreikä voi olla joko oikotie oman universumimme avaruuden paikoista toiseen tai käytävä universumien välillä. Jos madonreikä olisi käytävä tai portti universumeiden välillä, niin ainakin periaattessa se voisi tuoda toisen maailmankaikkeuden havaintojemme piiriin. Ja toki tällainen portaali voisi olla jossakin paikassa (ja ajassa) omassa universumissamme meidan havaitsematta sitä.

Madonreiät ovat mahdollisia Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Periaatteessa joidenkin sellaisten läpi voi myös matkustaa. Yksinkertaisinta madonreikää kutsutaan Schwarzschildin kurkuksi tai Einsteinin-Rosenin sillaksi. Ikävä kyllä tämä yksinkertaisin madonreikä, joka on oikeastaan vain kaksi mustaa aukkoa liimattuna yhteen on epästabiilli olio, joka on olemassa vain hetken romahtaen sitten kasaan: sen läpi on mahdotonta matkustaa.

Sellaiset madonreiät, joita pitkin on mahdollista matkustaa, vaativat enemmän hypotetisointia: pitää olettaa, että on olemassa sopivaa eksoottiseksi materiaksi kutsuttua ainetta, joka pystyy estämään madonreikää romahtamasta kasaan. Tälläista eksoottista materiaa ei ole havaittu eikä realistiset ainetta kuvaavat hiukkasfysiikan teoriatkaan sellaista ennusta. Niinpä joutuu toteamaan, että stabiilit, läpimatkustettavat madonreiät ovat matemaattisella tasolla mahdollisia, mutta vaativat fysiikan teorioiden venyttämistä alueelle, josta ei ole mitään havaintoon perustuvaa evidenssiä eikä kunnollista teoriaakaan.


Entäpä jos oletetaan, että muita universumeita ja madonreikiä niiden välillä on. Mitä siitä seuraa?

Tarkastellaan vaikkapa ensin huonoja puolia. Ensinnäkin multiversumi on paljon monimutkaisempi ja arvaamattomampi kuin yhden universumin systeemi. Koskaan ei voi tietää, ainakaan nykyisellä ymmärryksellä, mitä kulman takaa ilmestyy. Madonreikien syntymiset ja kuolemiset ja kontaktit muihin universumeihin voivat olla katastrofaalisia tapahtumia; enkä tässä tarkoita kontakteja vieraisiin elämänmuotoihin, mitkä tietysti myös voivat olla vaarallisia, vaan fysikaalisia prosesseja, jotka saattavat mullistaa fysikaalisia olosuhteitamme. Fysiikan teorioiden kannalta joudumme myös toteamaan, että ymmärrämme universumiamme huomattavasti huonommin kuin luulimme.

Hyviä puolia. Multiversumi on paljon monimutkaisempi ja arvaamattomampi kuin yhden universumin systeemi. Koskaan ei voi tietää, ainakaan nykyisellä ymmärryksellä, mitä kulman takaa ilmestyy. Tämä asettaa uusia haasteita fysiikan teorioiden ymmärtämiselle: paljon uutta työtä ja mielenkiintoisia asioita ja ilmiöitä olisi varmasti tiedossa.

Osa fyysikoista on sitä mieltä, että multiversumihypoteesi ratkaisee ns. kosmologisen hienosäädön ongelman. Tällä tarkoitetaan sitä, että fysiikan teorioiden tärkeimmät luonnonvakiot, kuten gravitaatiovakio, elektronin varaus, elektronin/protonin massa jne, ovat lukuarvoiltaan sellaisia, että havaitsemamme kaltainen universumi on mahdollinen, siinä on älyllistä elämää (me?) ja niin edelleen. Hienosäätöongelma syntyy siitä, että jos näiden luonnonvakioiden numeeriset arvot olisivat jotakin muuta, ei universumimme olisi enää riittävän pitkäikäinen, tähden eivät enää sytyisi tai ne palaisivat liian nopeasti loppuun elemän synnyn kannalta tai jotain muuta vastaavaa.

Vaikuttaa siis siltä, että luonnonvakion arvot ovat juuri oikeat meille. Silloin kysymys on, miksi. Joidenkin mielestä multiversumimalli antaa vastauksen tähän, sillä siinä on erilaisia universumeita, joissa on erilaisia luonnonvakioiden arvoja ja niiden joukossa on meidän oma maailmankaikkeutemmekin. Tästä asiasta kuitenkin fyysikoiden keskuudessa ollaan perustellusti montaa mieltä. Kaikki eivät katso multiversumihypoteesin selittävän mitään, vaikka olisikin oikea.

Multiversumit ovat siis erittäin mielenkiintoinen matemaattinen konstruktio, josta ei ole mitään empiiristä tietoa. Se on aktiivisen teoreettisen tutkimuksen kohteena niin matemaattisen kiehtovuuden kuin suuren maailmankuvallisen merkityksensä takia.

Iiro Vilja teoreettisen fysiikan dosentti ja lehtori, Turun yliopisto

Onko sinulla kysymys luonnontieteistä, matematiikasta tai teknologiasta, johon haluaisit vastauksen asiantuntijalta?
Lähetä kysymyksesi Luovaan, niin pyydämme alan asiantuntijaa vastaamaan. Vastaukset julkaisemme aina Kysy tutkijalta -palstalla.


Kommentoi

Textile ohje