Gravitonia etsimässä

Fysiikan professori emeritus Jukka Maalampi lienee suomalaisista osaajista sopivimpia kertomaan matkasta painovoiman eli gravitaation ymmärtämiseksi. Matkasta tosiaan on kyse kirjassa Painovoima : Kuinka ihminen on oppinut ymmärtämään maailmankaikkeutta (Ursa 2024), kuten alanimekekin vihjaa. Maalampi ei keskity avaamaan tätä yhtä neljästä fysiikan perusvuorovaikutuksista, vaan on kiinnostuneempi siitä, miten nykyisiin tulkintoihin ja johtopäätöksiin on päädytty. Kyseessä ei siis ole fysiikkaa meille taviksille avaava popularisoiva yleisesitys, vaan tieteenhistoriallinen katsaus. Sellaisen lukemalla oppii jotain itse aiheesta eli gravitaatiosta, mutta ehkä vielä enemmän siitä, miten tiede, asioiden tutkiminen, on antanut meille ymmärryksen sekä näkyvän että ihmisaisteille näkymättömän aineellisen maailman olemuksesta. Maalampi ei vaivaudu muistuttamaan lukijaa tieteen keskeisestä roolista ihmisen maailmassa, se käy vaivattomasti ilmeiseksi joka tapauksessa.

Gravitaatio on fysikaalisena ilmiönä arkista kokemusta ja intuitiota uhmaava. Mitättömän heikko voima, jonka välittäjää ei tunneta mutta joka kuitenkin määrää tuntemamme maailmankaikkeuden yleisrakenteen. Siitä, että materian möhkäleet vaikuttavat jotenkin toisiinsa, ei arkijärkemme vielä pillastu. Mutta ajatusta, että gravitaatio ulottuu myös etäisyyksien yli, ei ole helppoa hyväksyä, vaan se kuuluu ryhmään "hyväksy ja ole ajattelematta sen enempää". Gravitaatio on myös nykyfysiikan häirikkö, jonka perusteitakaan emme vielä kunnolla tunne, vain sen, mitä gravitaation olemassaolosta seuraa. Puuttuvia palasia ovat kysymys hypoteettisesta välittäjähiukkasesta eli gravitonista, josta ei ole löydetty minkäänlaisia todisteita sekä kvanttimekaniikan ja gravitaation yhdistävä kvanttigravitaation teoria, jollaista ei myöskään ole olemassa.

Maalampi on – ehkä hyvinkin viisaasti – jättänyt gravitaatioon liittyvät avoimet kysymykset johonkin toiseen yhteyteen ja keskittyy kuvaamaan sitä varsin pitkää ja mutkaista polkua, jota pitkin nykyisin vallitsevaan konsensukseen gravitaatiosta yhtenä neljästä perusvoimasta on päädytty. Vaikka tuo polku antiikin Kreikan filosofeista Galilein ja Newtonin kautta Einsteiniin lienee karkealla tasolla tuttu tähän kirjaan tarttuville, on Maalampi kyennyt kuvaamaan tunnettuja ja hiukan vähemmän tunnettuja polun kiveäjiä varsin mielenkiintoisella ja elävällä tavalla. Tämä tarina toimii hyvin myös yleisenä tieteellisen ajattelun ja päättelyn historiana, jonka suunta ei aikalaisten käsityskyvylle näyttäytynyt lainkaan niin vääjäämättömästi yhteen suuntaan (eli "totuuteen") ohjaavana kuin miten me jälkiviisaudella voimme asian hahmottaa.

* * *

Maalampi tarinoi gravitaation ymmärtämisen vaiheista suurempia tehokeinoja vältellen asiallisesti ja epädramaattisesti. Historian kansanomaistajat ovat perinteisesti rakastaneet sellaisia lukijaa kuohuttavia yksityiskohtia kuten kovaäänisesti harhaoppiaan julistaneen Giordano Brunon elävältä polttaminen tai itsepäisen Galileo Galilein mutina uhkaavan inkvisition edessä "Se pyörii sittenkin!". Maalampi kertoo erityisesti kirkkojen ja uskontojen osuudesta totunnaista maltillisemman tarinan muistuttaen toistuvasti siitä, etteivät  kirkolliset sensorit useimmiten olleet lainkaan kiinnostuneita siitä, mitä tutkijat kammioissaan arvelivat keksineensä. Konfliktit olivat pohjimmiltaan maallisen vallan tavoittelun motivoimia, vähemmän teologisia. Katolinen kirkkokin taipui vuosisatojen kuluessa hyväksymään havainnot siitä, ettei Maa ole kaikkeuden keskipiste ja ettei myöskään oma aurinkomme ole siinä asemassa.

Erittäin havainnollisesti Maalammen tarina kertoo siitä, miten hitaasti ja usein sattumanvaraisesti suurimmatkin älynväläykset ja uudella tekniikalla tehdyt havainnot levisivät maailmassa, jossa kommunikointi tapahtui joko kasvokkain tai paperille kirjoitetun tekstin välityksellä. Sehän oli tilanne koko maailmassa 1800-luvun lopulle asti. Kun tänä päivänä tähtitieteellinen löydös leviää muutamassa sekunnissa kymmenille tuhansille tutkijoille ja vain hiukan hitaammin suurelle yleisölle (siinä välissä tutkijat varmistelevat, ettei kyseessä ole ollut virhe), vielä 1900-luvun alkupuolella saattoi kaksi eri tutkijaa päätyä samoihin tuloksiin toistensa töistä suuremmin tietämättä. Tämän seurauksena kunnia ei aina koskettanut kaikkia oikeudenmukaisesti. Maalampi kertoo esimerkkinä suomalaisen Gunnar Nordströmin (1881–1923), joka kehitti sekä painovoimateoriaa että yhtenäisteoriaa ja osallistui mustien aukkojen teoreettiseen pohdiskeluun. Nordström on ollut kansainvälisesti arvostetumpi kuin kotimaassaan.

Kirjansa viimeisissä osissa Maalampi jättää kesken olevan historiallisen tarinansa ja äityy hahmottelemaan kosmologian suurimpia kysymyksiä kuten alkuräjähdys, pimeä aine ja energia, gravitaation kvanttiteoriat ja tuntemamme maailmankaikkeuden tulevaisuus sen tiedon perusteella, mitä meillä on toisaalta mustista aukoista ja toisaalta gravitaation vaikutuksesta. Lukijasta tuntuu siltä, että Maalampi on jotenkin pidätellyt itseään saadakseen tieteenhistoriallisen osuuden kunnilla loppuun ja heittäytyy sitten spekuloimaan asioilla, jotka ovat vielä tieteelliselle yhteisölle avoimia. Itseäni loppuluvut herkistivät kaikenlaiseen pohdiskeluun eli olin tyytyväinen lukija.

* * *

On jonkinlainen paradoksi, että samalla kun tiede on kyennyt avaamaan täysin uusia etenemisen väyliä ja ratkaisemaan arkijärjen ulottumattomissa olevia haasteita, kosmologiassa on sitkeästi todella isoja kysymyksiä, joiden kohdalla on pakko myöntää, ettemme tiedä. Emme tiedä, mitä maailmalle syntyhetkillä tapahtui, joudumme tyytymään havaintoihin parhaiten sopiviin oletuksiin. Ns. kosminen inflaatio on yleisesti hyväksytty selitys äkilliselle aineen ja energian laajenemiselle, mutta emme tiedä, mikä sen aiheutti tai olisiko jokin aivan toinen tapahtumasarja tuottaa äkillisesti laajentuneen maailmankaikkeuden. Myös teoreettisella puolella riittää ongelmia, koska vaikka tunnemme kohtalaisen hyvin gravitaation vaikutukset, emme tiedä, mistä gravitaatio pohjimmiltaan johtuu. Emme tiedä edes sitä, onko teoria gravitoneista pelkkää hapuilua ja oletusta muiden ilmiöiden hiukkasiin perustuvasta olemassaolosta.

Haastavinta fyysikoille ja kosmologeille on ollut löytää kvanttiteoriat ja vuorovaikutusteoriat yhdistävää kaiken teoriaa. Kun emme tiedä, mikä aiheuttaa gravitaation, on ollut vaikea sijoittaa koko ilmiötä kvanttifysiikan maailmaan. Kaiken tämän ei-tietämisen takia on haastavaa ennustaa maailmankaikkeuden tulevia vaiheita, kuten Maalampi kirjansa lopuksi tekee. Tässä arvelussa ei ole mitään vallitsevista näkemyksistä poikkeavaa, myös Maalampi näkee tulevaisuudessa rakenteiden katoavan ja hiukkasten hajaantuvan koko ajan kiihtyvästi laajentuvan maailmankaikkeuden eri puolille. Sitä Maalampi ei ole kuitenkaan halunnut tai osannut selittää, millä perusteella voimme olettaa neljän perusvuorovaikutuksen ja avaruuden kiihtyvän laajenemisen aiheuttajan pysyvän muuttumattomina myös sen jälkeen, kun viimeisetkin mustat aukot ovat höyrystäneet itsensä olemattomiksi.

En ole itse halukas ennustamaan mitään maailmankaikkeuden tulevaisuudesta, koska se on sekä mahdotonta tiedoissamme olevien valtavien aukkojen takia että turhanaikaista siitä yksinkertaisesta syystä, ettemme ole prosessia seuraamassa. Vaikka ihmiskunta onnistuisi pysyttelemään lajina olemassa vielä ne muutamat miljardit vuodet, jolloin aurinkomme sallii olemassaolomme, on kyseessä lyhyt ajanjakso verrattuna koko maailmankaikkeuden oletetun hitaan lämpökuoleman mittakaavaan. En usko, että "ihminen" osoittautuu yhtä kestäväksi lajiksi kuin jotkin bakteerit, jotka pysyvät suhteellisen muuttumattomina vuosimiljardeja. Taipumuksemme isotella ja olla piittaamatta tosiasioista jouduttanee sukupuuttoamme niin paljon, ettemme ole lajina seuraamassa aurinkomme paisumista jättiläistähdeksi. Kenenkään tai minkään kannalta asialla ei myöskään ole mitään merkitystä. Fysiikkaa pohtivat aivot voivat osoittautua vain hyvin lyhyeksi häiriöksi ei-tietoisen maailmankaikkeuden vaiheissa.