Maailmankaikkeuden mittakaavat, osa 2: < 1 metri

Edellisessä mittakaavakirjoituksessani käsittelin metriä pidempiä etäisyyksiä aina näkyvän maailmankaikkeuden reunalle saakka, missä varsin paradoksaalisesti saavuimme lopulta universumin lyhyimpiin mittakaavoihin. Tässä kirjoituksessa tarkastelemme lähemmin näitä mikro-, nano-, piko-, jne.-skooppisia etäisyyksiä sukeltaen tutusta yhdestä metristä skaaloissa alaspäin syvälle intuition rajojen tuolle puolen.

Vielä varoituksen sana: Näillä mittakaavoilla on tapana sitoa ihmisjärki jaloista peräkoukkuun ja ajaa moottoritiellä sataaviittäkymppiä väärään suuntaan. Ottakaatten siis tekoviiksistänne kiinni, matka alkaa!

Lähtiessämme laskeutumaan mittakaavoissa yhdestä metristä alaspäin ensimmäisenä taukopaikkanamme toimikoon metrin tuhannesosa, yksi millimetri. Tästä mittakaavasta meillä on vielä monia arkiperäisiä kokemuksia, sillä voimmehan paljain silmin nähdä millimetrin kokoisia yksityiskohtia, kuten näin kesän kynnyksellä alituiseen ja aivan häpeilemättä bilettävät muurahaiset. Toinen epäilemättä tuttuakin tutumpi esimerkki on pölypunkki, joka on noin puoli millimetriä pitkä pohjimmiltaan sympaattinen veijari, joka pienestä koostaan huolimatta on allergikkojen suuri kauhu. Siinäpä opiksi meille kaikille: Pienikin voi saavuttaa elämässään jotain suurta, tai ainakin astmakohtauksen. Millimetritasolla on siis vielä runsaasti elämää. Muina esimerkkeinä toimikoon noin neljäsosamillimetrin pituinen pieni sitruspuiden perivihollinen, keltapunkki, ja vain millin kymmenesosan mittainen pelto-ohdakkeissa pesivä ruostepunkki, joista onnistuin löytämään päheät elektronimikroskooppikuvat. Millimetrin kymmenesosa on myös jotakuinkin keskimääräisen ihmiskarvan läpimitta, minkä vuoksi eräskin anarkistinen ruostepunkki väittää kainaloani sademetsäksi. Vaan eläimet eivät suinkaan lopu millimetrin mittakaavaan --- alkavat vain yhä vähemmän ja vähemmän näyttämään eläimiltä. Pienin tunnettu aitotumallinen itsenäisesti elävä otus on yksisoluinen Ostreococcus, joka on noin yhden mikrometrin, eli millimetrin tuhannesosan, pituinen. Ostreococcuksen koko genomi sisältää alle kaksi megatavua dataa, mitä voi verrata ihmisen genomin noin 800 megatavuun, joka toisaalta mahtuu edelleen kätevästi yhdelle cd-levylle.

Toisaalta keskikokoinen ihmissolu on noin yhden millimetrin sadasosan, eli kymmenen mikrometriä, halkaisijaltaan. Ihmiskarva on siten muutaman kymmenen solua leveä, kuten tämä hahmoitelma karvan rakenteesta kätevästi havainnollistaa. Soluja yhdessä ihmisessä on vaatimattomat muutama kymmenen miljardia eli lähes saman verran kuin Linnunradassa tähtiä, tai näkyvässä universumissa galakseja. (Kuten edellisessä osassa totesimme, tämä on toisaalta suunnilleen sama kuin hiekanjyvien lukumäärä hiekalla täytetyssä keskikokoisessa uima-altaassa.) Solun keskus, tuma, jossa tuo yllämainittu 800 megatavun genomi sijaitsee, vie noin kymmenesosan ihmissolun tilavuudesta ollen muutaman mikrometrin halkaisijaltaan. Siispä myttyyn kääriytyneenä yksittäiset ihmiskromosomit ovat myöskin vain muutaman mikrometrin pituisia. Toisaalta, jos myttyyn kääriytyneet geneettisen koodin sisältävät kromosomimolekyylit nyhdettäisiin auki, niin ne ylettyisivät suoristettuina jopa kahden metrin yhteispituuteen. Koska näiden kromosomien tulee sisältää ohjeet siitä, miten oikeaoppinen ihmisyksilö rakennetaan, sekä samalla mahtua yksittäisen solun sisään, niin ymmärrettävästi optimaalinen pakkaus on kaikki kaikessa. Seuraava kuva havainnollistaakin mainiosti, miten tunnusomainen muutaman nanometrin halkaisijaltaan oleva DNA-rihman kaksoisheliksirakenne on käärittynä itsensä ja tiettyjen erityisten käärintäproteiinien ympäri kerta toisensa jälkeen kromosomien sisään. Mutta juuri siitä syystä, että DNA-rihma sisältää rakennusohjeet ihmiskehon kriittisten peruselementtien, proteiinien, valmistamiseksi, niin paitsi että se täytyy pakata hyvin, sen täytyy olla myös kätevästi avattavissa ja luettavissa, sillä solu tarvitsee näitä ohjeita jatkuvasti valmistaakseen tarvitsemiaan osia. DNA-koodin lukemiseksi on vuosimiljardien kuluessa kehittynyt monimutkainen molekyylikoneisto, joka avaa rihman, ja kopioi proteiinin valmistusohjeet. Proteiinit ovat myös mittakaavatarkastelullemme tärkeitä, sillä ne ovat molekyylimaailman jättiläisiä. Esimerkkinä toimikoon vaikkapa muiden proteiinien kasaan käärimisessä avustava saperonimolekyyli, joka koostuu tuhansista yksittäisistä atomeista, kuvassa nähtävistä pienistä rypylöistä, joiden läpimitta on kymmenesosa nanometrin luokkaa. Siten yksittäisen saperonimolekyylin halkaisija on ehkäpä noin kymmenen nanometriä, eli yksi tuhannesosa ihmissolun leveydestä, tai kymmenestuhannesosa hiuksen halkaisijasta. Tästä huolimatta proteiinit vievät soluliman tilavuudesta jopa noin kolmasosan, muodostaen jo yksittäisen solun sisällä erittäin monimutkaisen molekyylikoneiston, jota ei vielä kovinkaan hyvin ymmärretä. Proteiinien vuorovaikutukset solujen sisällä ovat niin äärimmäisen monimutkaisia, että en edes uskalla yrittää sanoa yhtään mitään enempää niistä, jotten eksyisi yhä kauemmas aiheesta --- enkä toki halua alkaa hiuksia halkomaan... Mutta olemme sentään onnistuneet kromosomirihmastojen ja jättiläisproteiinien avulla laskeutumaan edelleen yhden pykälän alaspäin mittakaavoissa, nanometreihin nimittäin.

Tässä vaiheessa, kerättyäni salamannopeasti rohkeuteni, haluaisin tosin yrittää sanoa vielä hieman enemmän proteiinien vuorovaikutuksista. Nimittäin sen, että tällä proteiinitasolla tarkasteltuna ihmiset näyttävät olevan huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien kokoelmien ... kokoelmien kokoelmia. (Kokemuksieni mukaan joku voisi tuntea houkutuksen sijoittaa sanan "vain" edelliseen lauseeseen, "vain huikean monimutkaisia molekyylikoneistojen kokoelmien ... kokoelmia", mutta en itse ymmärrä miksi. Avaudun tästä aiheesta lisää myöhemmässä kirjoituksessani.) Tämä näkymä ihmisyyteen, ja elämään ylipäätään, on niin uskomattoman käsittämättömän hämmentävä ja arkijärjen vastainen, että itse en kykene ymmärtämään, mitä se edes varsinaisesti tarkoittaa. Tietyssä mielessä tämä ihmisjärkeni rajoittuneisuus on vieläkin dramaattisempaa kuin suurten mittakaavojen tapauksessa, sillä tällä kertaa kyse on myös itseni, oman rakenteeni, ymmärtämisestä. Ja samalla tavalla kuin edellisen mittakaavakirjoituksen kontekstissa mainitsin, kun yritän venyttää tajuntaani piirun verran oikeaan suuntaan hahmottaakseni tuon molekyylikoneistojärjestelmien järjettömän monimutkaisuuden, mieleni valtaa aina hetkeksi se hassu tunne, joka valtaa mieleni aina hetkeksi, kun yritän tehdä niin. Haastan taas sinut, hyvä lukija, yrittämään hahmottaa maailma tästä näkökulmasta, kun seuraavan kerran kuljeksit ruuhka-aikaan asuinpaikkakuntasi keskustassa. Tulet huomaamaan, että molekyylikoneistojärjestelmät suorittavat monia hyvin hyvin omituisia toimintoja!

Olemme siis tähän mennessä saapuneet nanometrin mittakaavaan. Hahmoittamisen helpottamiseksi voi edelleen todeta, että yksi nanometri on millimetrille sama kuin yksi millimetri on kilometrille. Eipä siis juuri mitään mainitsemisen arvoista. Tässä vaiheessa matkaamme alamme toisaalta huomaamaan jotain hyvin outoa: todellisuus vaikuttaa toimivan hetkittäin hyvin epätodellisella tavalla. Totuuden väliaine vaikuttaa samenevan samenemistaan sukeltaessamme yhä syvemmälle, emmekä voi pian olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä, ettemme voi olla varmoja mistään, paitsi siitä... Se, mitä yleensä todellisuudeksi kutsumme, osoittautuukin olevan todellisuudessa vain karkea keskimääräistys todellisesta todellisuudesta, jos sellainen on olemassa, mitä toisaalta syvästi epäilen. Jos ajattelet, että tämä sepostukseni vaikuttaa nyt kyllä kovin ristiriitaiselta ja sekavalta, niin olet oikeassa! En pysty mitenkään suomenkielellä selittämään, mitä näillä mittakaavoilla oikeasti tapahtuu, sillä ajattelumme ja siihen pohjautuva luonnollinen kieli perustuvat täysin todellisuuden käyttäytymiseen suurilla etäisyyksillä, jonka ennakoimiseksi tietoisuutemme on evoluution myötä kehittynyt. Ainoa kieli, jolla todellisuuden omituista käyttäytymistä näillä pienillä etäisyyksillä on onnistuttu kuvaamaan, on matematiikka, joka jollain varsin mystisellä tavalla vaikuttaa kykenevän paikkaamaan, tai ainakin osittain kiertämään, ihmisjärjen rajoitteet. Tätä matemaatiikan kielellä muotoiltua todennäköisyyksiin pohjautuvaa fysiikan teoriaa, jonka onnistuu kuvata havaintojamme fysikaalisista systeemeistä näillä nanoskooppisilla etäisyyksillä, kutsutaan kvanttimekaniikaksi. (Tulen varmastikin kirjoittamaan marginaalisesti selkeämmän, paremman, tai ainakin pidemmän sepostuksen kvanttimekaniikasta lähitulevaisuuden blogailuissani, koska se on epäilemättä yksi fysiikan kiehtovimmista konsepteista.)

Suurin molekyyli, joka on saatu kontrolloiduissa laboratorio-oloissa käyttäytymään merkittävän kvanttimekaanisesti, on kuudesta kymmenestä hiiliatomista koostuva nanometrin halkaisijaltaan oleva fulleriinipallo C60. Tätä suurempien kappaleiden kvanttimekaanisuus ei varsinaisesti häviä mihinkään, vaan kvanttimekaniikka pitää paikkansa myös suurilla etäisyyksillä --- juurikin kvanttimekaniikan mukaisesti yhä suurempien kappaleiden käyttäytyminen lähestyy yhä enemmän "normaalin" kaltaista. (Tähän siirtymäänkin liittyy tosin toistaiseksi selvittämättömiä mysteereitä, kun alkaa vähän pintaa syvemmältä kaivamaan.) Toisaalta kvanttimekaaninen käyttäytyminen tulee yhä merkittävämmäksi, kun siirrymme tarkastelemaan yhä pienempiä mittakaavoja. Tästä huolimatta jatkamme pääosin, tai ainakin vielä tämän kirjoituksen puitteissa, objektien kuvittelemista pieninä kiinteinä möykkyinä, hiukkasina, näillä pienemmilläkin mittakaavoilla --- kaiken juuri oppimamme vastaisesti. Toinen yhtälailla väärä mielikuva, jota voi tietyissä tilanteissa paremman puutteessa soveltaa kvanttimekaanisiin hiukkasiin, on aalto. Itse asiassa kevyet kvanttihiukkaset, kuten fotonit eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset, ovat valon muodossa enimmäkseen lähempänä aaltoa kuin hiukkasta, kun taas raskaammat hiukkaset, kuten elektronit, ovat enimmäkseen lähempänä kiinteää hiukkasta. Mutta molemmilla hiukkasilla on kummatkin luonteet, tai oikeastaan ei kumpaakaan, koska nämä hiukkas- ja aaltoluonteet ovat vain ihmismielen heiveröisiä yrityksiä luokitella todellisuus sille tuttuihin kategorioihin.

Nyt, kun olen saanut sinut ehkä vakuutettua siitä, että tästä eteenpäin mentäessä en kykene enää kuvaamaan maailmankaikkeutta, menkäämme eteenpäin. Noin kymmenesosa nanometrin, yhden ångströmin, halkaisijaltaan olevat atomit ovat aineen pienimpiä osasia siinä mielessä, että niiden ominaisuudet pääasiassa määrittävät niistä koostuvan aineen ominaisuudet, eikä niiden osasilla ole enää suoraa merkitystä aineiden ominaisuuksille. Eikä voisikaan olla, sillä kaikki atomit rakentuvat täysin samoista osista, ja siten tätä pienemmillä mittakaavoilla eri aineita ei siis ole olemassa. Osoittaakseni, että atomien käyttäytymisen lisäksi myös niiden koko on täysin käsityskyvyn ulkopuolella, mainitsen ihmiskehon koostuvan noin kymmenestä kvadriljardista atomista. Kvadriljardi on tuhat miljardia miljardia, eli ykkönen ja 27 nollaa. Vertailun vuoksi voi todeta, kuten edellisessä mittakaavakirjoituksessa kerroin, että koko näkyvässä maailmankaikkeudessa on kaiken kaikkiaan noin kymmenen triljardia (10^22) tähteä. Yhdessä ihmisessä on siis noin miljoona kertaa enemmän atomeita kuin koko näkyvässä universumissa tähtiä --- töttöröö! Lue vielä edellinen lause uudelleen ajatuksen kera. (Varo tosin jäämästä ikuiseen luuppiin tässä...) Jos edellisessä osassa tunsit itsesi pieneksi mitättömäksi hiduksi, niin nyt ovat asetelmat kääntyneet täysin päälaelleen, ja vielä enemmän. Toinen ehkäpä havainnollisempi vertaus: Jos omena suurennettaisiin maapallon kokoiseksi, niin suurennetun omenan atomit olisivat jotakuinkin alkuperäisen omenan kokoisia. (Wikipedian mukaan tämä on peräisin fysiikan suuren sankarin ja pitkäaikaisen esikuvani Richard Feynmanin Six Easy Pieces-kirjasta.)

Atomithan puolestaan koostuvat atomiytimestä ja ydintä kiertävistä elektroneista, joita sitoo yhteen sähkömagneettinen voima, sillä ytimellä ja elektroneilla on vastakkaiset sähkövaraukset. Atomeille kvanttimekaniikka on elinehto: Jos elektronit käyttäytyisivät kuin normaalit kiinteät hiukkaset, niin kiertäessään atomiydintä ne menettäisivät sähkömagneettisena säteilynä liike-energiansa alta hyvin pienen aikayksikön, ja syöksyisivät saman tien ytimeen tehden atomeista erittäin epävakaita. Elektronien kvanttimekaanisesta aaltoluonteesta seuraa, että ydintä kiertävillä elektroneilla on matalin mahdollinen energiatila, jota alemmas ne eivät voi vajota, ja siten atomit pysyvät ylipäätään kasassa. Tämä korostaa sitä tosiasiaa, että kvanttimekaniikka ei ole mikään fyysikkojen teoreettinen päiväuni. Päinvastoin: maailmankaikkeuden järjenvastaisuus on kaiken olemassaolon perusta!

Täytyy myös mainita, koska jo edellä elektronimikroskooppikuvia ihastelimme, että tämä elektronien aaltoluonne mahdollistaa myös elektronimikroskopian, jossa objektien kuvantamiseen käytetään valon sijaan elektroneja. Suurienergisillä elektroneilla on näkyvää valoa noin sata tuhatta kertaa lyhyempi aallonpituus, joten elektronisäteilyn avulla voidaan kuvata huomattavasti pienempiä yksityiskohtia, parhaimmillaan aina puoleen ångströmiin asti. Toinen jännä kvanttimekaniikkaan perustuva kuvantamismenetelmä on tunnelointimikroskopia, jolla pystytään erottamaan jopa yksittäisiä atomeita, kuten tässä kuvassa näkyvät jännääkin jännemmän hiilinanoputken muodostavat hiiliatomit. Kykenemme siis jopa näkemään atomit, vaikkakin hieman epäsuorasti.

Atomin ydin on halkaisijaltaan noin sata tuhatta kertaa pienempi kuin itse atomi, yhden fermin. Elektronit ravaavat juoksuradalla cooperia, kierros toisensa jälkeen ympäri urheilukentän keskellä olevaa hiekanjyvää. Tämä johtaa meidät edelleen siihen hämmentävään tosiasiaan, että noin 99,999...9 (yhteensä 15 yhdeksikköä) prosenttia mistä tahansa aineesta on täysin tyhjää tilaa. Tämä tuskin lohduttaa minua kuitenkaan seuraavan kerran, kun liukastun banaaninkuoreen, ja huomaan jälleen kerran, että maa on kovaa. Maan, kuten muidenkin aineiden, kovuus johtuu siitä, että maanpinnassa olevien atomien elektronit hylkivät omien atomieni elektroneja, sillä molemmilla on samanmerkkiset sähkövaraukset, joten en pääse hujahtamaan maan läpi noin vain --- onneksi, sillä maapallon ytimessä on vähän liian kuuma omaan makuuni, noin 7000 astetta. Tämä esimerkki havainnollistaa myös hyvin eri vuorovaikutusten voimakkuuseroja: Vaikka painovoima vaikuttaa järeältä, kun mätkähdän maanpintaan, tai erityisesti kun yritän aamuisin nousta sängystä, niin ei tarvita kuin atomien elektroniverhot vastustamaan koko maapallon minuun kohdistamaa painovoimaa. Syy siihen, etteivät sähkömagneettiset voimat ole suuremmassa osassa jokapäiväisessä elämässämme (paitsi tietenkin sähkölaitteissa ja ovenkahvojen pelkotiloja herättävinä staattisina sähköshokkeina) on se, että kaikki materiaalit on kokonaissähkövaraukseltaan keskimäärin neutraaleja, joten ne eivät vaikuta toisiinsa sähkömagneetisesti pitkillä etäisyyksillä. (Toisaalta on hyvä huomata, että jokapäiväisestä leivästämme saamme molekyylien sähkömagneettisen energian muodossa kaiken kehomme käyttämän energian.) Sen sijaan kaikki massa kasvattaa painovoiman suuruutta (negatiivista massaa ei tiettävästi ole olemassa), joten vastaavaa neutraloitumista ei pääse tapahtumaan, ja tämän vuoksi gravitaatio, niin heikko kuin se onkin, dominoi suurilla etäisyyksillä.

Atomin ydin koostuu puolestaan tiukasti vahvan ydinvoiman sitomina yhteen pakatuista pienemmistä osasista, protoneista ja neutroneista. Ainoa ero eri aineiden atomien välillä on atomiytimien protonien lukumäärät, jotka heijastuvat atomin elektronikuorirakenteeseen, ja siten niistä koostuvan aineen kemiallisiin ominaisuuksiin. Elektronilla ei nykytiedon mukaan ole alirakennetta, vaan se ymmärretään pistemäiseksi alkeishiukkaseksi. Protonit ja neutronit sen sijaan koostuvat edelleen pienemmistä osasista, kolmesta kvarkista kumpainenkin, jotka ovat sidottuina toisiinsa "gluoni"-hiukkasten välittämän vahvan ydinvoiman vaikutuksesta. Tarkalleen ottaen protonit ja neutronit koostuvat "ylös"- ja "alas"-kvarkeista, jotka ovat kvarkkityyppejä. Kaikkiaan näitä kvarkkialalajeja on nykytietämyksen mukaan kuusi, joilla kaikilla on vähintäänkin hämmentävät nimet: "alas", "ylös", "outo", "lumo", "huippu", "pohja" (plus näistä jokaista vastaavat antihiukkaset). (Aiemmin "huippu"- ja "pohja"-kvarkkeja kutsuttiin nimillä "totuus" ja "kauneus", missä oli sentään jonkinlaista runollisuutta havaittavissa, mutta sekin mentiin sittemmin vesittämään!) Kvarkeista koostuvia hiukkasia kutsutaan hadroneiksi. Näitä hiukkasia on löydetty protonin ja neutronin lisäksi kokonainen liuta hiukkaskiihdyttimillä suoritetuissa korkeaenergisissä hiukkastörmäytyskokeissa, ja löydetään edelleen. Itseasiassa 1960-luvun alussa hadronitulva aiheutti suurta hämmennystä ja sekasortoa hiukkasfysiikan alalla, koska uusia hiukkasia ilmaantui kokeissa tiheimmillään viikoittain. Kukaan ei ymmärtänyt mistä kaikki nuo hiukkaset sikisivät, kunnes amerikkalaiset teoreettiset fyysikot Murray Gell-Mann ja George Zweig ehdottivat vuonna 1964 samanaikaisesti toisistaan riippumatta hiukkaspaljouden selittävää kvarkkimallia, jonka pohjalta säännönmukaisuudet hadronien ominaisuuksissa kyettiin ymmärtämään, ja edelleen ennustamaan seuraavat törmäytyskokeissa ilmaantuneet uudet hiukkaset. (Rivien välistä kannattaa lukea tärkeä opetus siitä, miten tiede toimii!) Nykytiedon mukaan kvarkeilla ei enää ole syvempää alirakennetta, vaan ne kuvataan nykyisissä teorioissa pistemäisinä alkeishiukkasina. (On tietenkin olemassa myös hypoteettisiä matemaattisia malleja, kuten säieteoria(t), jotka pyrkivät kuvaamaan alkeishiukkaset useampi ulotteisina objekteina, mutta tässä kirjoituksessa keskityn pääasiassa siihen, mitä todellisuudesta voidaan sanoa kohtuullisella varmuudella.) Elektronien ja kvarkkien, fotonien ja gluonien lisäksi nykyään tunnettuihin alkeishiukkasiin kuuluvat elektronin isosiskot, myoni ja tau, sekä neutriinot, jotka vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa ainoastaan heikon ydinvoiman välityksellä, ja tietenkin heikkoa ydinvoimaa välittävät "W- ja Z-bosonit" (plus kaikkien näiden hiukkasten antihiukkaset). Hiukkasten massan aiheuttavaa Higgsin bosonia yritetään saada haaviin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERN:in LHC-hiukkaskiihdyttimen avulla seuraavan muutaman vuoden sisällä --- sen olemassaolosta ei siis ole vielä varmuutta, vaan se on teoreettinen ennuste. Näitä kaikkia mielikuvituksellisesti nimettyjä alkeishiukkasia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaa vähemmän mielikuvituksellisesti nimetty hiukkasfysiikan Standardimalli, ja varsin erinomaisesti kuvaakin. Lyhyin etäisyys, jolla Standardimallin paikkansapitävyys ja ylipäätään mikään todellisuuden ominaisuus on kyetty nykyisellään todentamaan, on alle kymmenestuhannesosa atomiytimen halkaisijasta, sata tseptometriä (10^-19m), eikä vakavia viitteitä Standardimallin ennusteista poikkeamisista vielä näillä mittakaavoilla ilmaannu. Näin olemme siis viimein saapuneet nykytietämyksen äärirajoille.

Jo kohtaamamme tosiseikka, joka tekee lyhyempien etäisyyksien tutkimisen yhä vain työläämmäksi, on se, että kvanttimekaniikan mukaisesti hiukkasilla on aaltoluonne, ja kvanttihiukkasten aallonpituus on kääntäen verrannollinen niiden energiaan. Siispä, mitä lyhyempiä etäisyyksiä halutaan tutkia, mitä pienempiä yksityiskohtia erottaa, sitä suurempi liike-energia tulee hiukkasille antaa. Tietyn rajan jälkeen tämä ei ole enää lainkaan helppoa, kuten LHC:n 27 kilometrin halkaisijasta, 15 vuoden rakennusaikataulusta ja 7,5 miljardin euron budjetista voi päätellä.

Toisaalta tiedämme myös, ettei hiukkasfysiikan Standardimalli voi olla koko totuus, sillä se ei lainkaan ota huomioon painovoimaa. Kuten jo yllä totesimme, gravitaatio on säälittävä heikko rääpäle verrattuina muihin perusvuorovaikutuksiin, ja niinpä mikroskooppisilla mittakaavoilla sen voi yleensä unohtaa tyystin. Ainoastaan tilanteissa, joissa hyvin hyvin suuri määrä energiaa on keskittyneenä hyvin hyvin pieneen tilavuuteen, voi gravitaatiolla olla jotain merkitystä mikroskooppisissa systeemeissä. Yleensä sen mittakaavan, jossa gravitaatiovoimien täytyy alkaa olla merkittävässä roolissa, arvioidaan olevan niin kutsuttu Planckin pituus, noin 10^-35 metriä, joka on niin pieni luku, ettei sille ole edes virallista nimeä. Mutta jonkinlaisen hataran mielikuvan sen pienuudesta voi saada siitä, että jos ihmisen atomiytimet olisivat ihmisiä, ja jos näiden atomiydinihmisten atomiytimet olisivat vielä pienempiä ihmisiä, niin näiden atomiydinihmisten atomiydinihmisten atomit olisivat noin Planckin pituuden halkaisijaltaan. Ehkä selvempää on sanoa, että Planckin pituuden suhde atomiytimen halkaisijaan on suurin piirtein sama kuin yhden senttimetrin suhde näkyvän maailmankaikkeuden halkaisijaan... Vaan ehkä ei sittenkään. Olen tainnut jo menettää kaiken uskoni siihen, että olisi olemassa mitään tapaa ilmaista ja ymmärtää intuitiivisesti näitä mittakaavoja. Planckin pituuksilla gravitaation arvellaan olevan merkittävä tekijä, sillä tämän kokoisten yksityiskohtien mittaamiseksi tarvittaisiin niin suuri energiatiheys, että mittauskohteeseen syntyisi yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti musta aukko: niin voimakas painovoimakenttä, ettei yhtään mikään kykenisi tältä alueelta karkaamaan, ja siten informaation poistumisen mittauskohteesta estyisi. Mittaus olisi näin ollen tuomittu epäonnistumaan, eikä Planckin pituuksilta voisi saada informaatiota edes teoriassa. Näyttää siis siltä, että vastaamme tulee vieläkin läpäisemättömämpi seinä matkatessamme maailmankaikkeuden pienimmille etäisyyksille, kuin minkä jo kohtasimme matkallamme maailmankaikkeuden suurimmille etäisyyksille. Toisaalta edellinen argumentti pohjautuu yleiseen suhteellisuusteoriaan, joka ei mitä luultavimmin pidä paikkaansa enää näillä hyvin hyvin pienillä mittakaavoilla. Selvää on vain se, että jotain dramaattista täytyy aika-avaruudelle tapahtua viimeistään täällä. Mitä se sitten voisi olla? Sitä kutsutaan nimellä "kvanttigravitaatio". Yritämme parhaillaan selvittää teoreettisin menetelmin mitä tuo sana itseasiassa voisi edes tarkoittaa, jos mitään, mutta olisi epärehellistä väittää, että suuren suurta selvyyttä siitä vielä vallitsisi. Maailmankaikkeuden käyttäytyminen näillä lyhyimmillä etäisyyksillä on toistaiseksi valtava todellisuuden alleen peittävä mysteeri, josta tulen kirjoittamaan lisää tulevaisuuden blogailuissani. Vaan ei vaivuta synkkyyteen: Sehän se vasta tylsää olisikin, jos tietäisimme jo kaiken!

Maailmankaikkeuden mittakaavat, osa 1: > 1 metri

Asettaakseni tulevaisuuden blogipohdiskeluilleni soveliaan kontekstin, käsittelen seuraavissa kahdessa (oikeassa) kirjoituksessani asuttamamme kosmoksen ymmärystä pakoilevia mittakaavoja. Tässä kirjoituksessa sinkoudumme arkisesta yhdestä metristä ylöspäin sitä suurempiin etäisyyksiin, kun taas seuraavassa sukellamme yhdestä metristä alaspäin. Vastaavasti voisi jotenkuten sanoa, että tässä kirjoituksessa käsittelen yhtä sekuntia pidempiä tuokioita, kun taas seuraavassa yhtä sekuntia lyhyempiä hetkisiä --- ajan ja pituuden mittakaavat kun ovat yleisesti ottaen kytköksissä toisiinsa varsin vahvasti, kuten käy ilmi tuossa tuokiossa.

Vielä varoituksen sana: Näillä mittakaavoilla on tapana sitoa ihmisjärki jaloista peräkoukkuun ja ajaa moottoritiellä sataaviittäkymppiä väärään suuntaan. Ottakaatten siis tekoviiksistänne kiinni, matka alkaa!

Yksi metri on mittana hyvin helppo käsittää: onhan se jotakuinkin keskivertoihmisen keskivertokäsivarsien yhteismitta. Lähtiessämme tästä mittakaavasta kapuamaan ylöspäin skaaloissa tarvitsemme luotettavan mittatikun käyttöömme. Sellaisena saa toimia tällä kertaa sähkömagneettinen säteily aallonpituudeltaan muutama sata nanometriä, jota myös nimellä "valo" kutsutaan. Ehkäpä olette joskus saattaneet kuulla moisesta, jopa osallisiksi siitä päässeet. Valon huiman tyhjiönopeuden avulla voimme mitata suuriakin etäisyyksiä siedettävinä aikaintervalleina. Yhdessä sekunnissa valo kulkee tyhjiössä noin 300 000 kilometriä --- etäisyys, joka on vielä jotenkuten ymmärrettävissä arkikokemuksiemme pohjalta. Toisin sanoen yhden sekunnin aikana, höps, valo ehti juuri matkata noin 260 kertaa Suomen päästä päähän tai noin seitsemän ja puoli kertaa maapallon päiväntasaajan ympäri. Varsin vihaisesti kiiruhtaa hän. Mutta toisaalta ylläolevat lukumäärät ovat vielä jotenkuten hahmotettavissa, vaikka maapallon ympärysmitta onkin jo aika vaikea ymmärtää konkreettisesti ainakin itselleni.

Öisin taivaalla havaittavissa olevasta Kuusta valolla kestää kulkea maanpinnalle kuutamoa ihastelevan otuksen silmän verkkokalvolle keskimäärin noin 1,26 sekuntia. (Kuun etäisyys Maasta ja siten valon kulkuaika vaihtelee hieman kuukauden kuluessa, koska Kuun kiertorata Maan ympäri ei ole ympyrä vaan ellipsi.) Kuun etäisyys Maasta on siis noin 9,5 kertaa maapallon päiväntasaajan ympärysmitta. Kaikki toivottavasti tietävät, miltä kuutamo näyttää maapallolta käsin katsottuna, mutta tältä näyttää sen sijaan maatamo Kuusta päin katsottuna Apollo-astronauttien kuvaamana. Kuva havainnollistaa paremmin kuin mikään muu, kuinka maapallo on elämää ylläpitävä vehreä keidas keskellä synkkää avaruuden aavikkoa. Vaikka maapallon ympärysmitta onkin jo lähestulkoon käsityskykyni ulkopuolella, niin kovin pieneltä se Kuusta päin katsottuna näyttää, ja vielä pienemmältä se tulee näyttämään, kunhan jatkamme matkaamme edelleen... Toisaalta oikeastaan jo sekin tosiasia, että kuutamo, tuo yötaivaalla möllöttävä valokiekko, onkin itseasiassa valtava, lähemmäs neljä tuhatta kilometriä läpimitaltaan oleva ja kilometrin sekunnissa viilettävä järkäle hiekkaa ja kiveä, tuntuu olevan liikaa pääkoppani suojissa höllyvälle vaatimattomalle 1,3 litralle harmaata hyytelöä.

Mutta tässä vaiheessa minun täytyykin vielä mainita jotain ennen kuin pääsemme taas matkaan. Tuijotetaanpa otsa kurtussa vielä hetki tuota yllämainittua kuvaa. Minussa se herättää hetken näin tehtyäni äkkinäisen havahtumisen siihen, että itseasiassa juuri tälläkin hetkellä sijaitsen itse pienenä epäpuhtautena tuon sinisen kuulan muuten niin kauniilla pinnalla. Tämä tarkoittaa muun muassa sitä, että maanpinta, johon tälläkin hetkellä turvallisesti tukeudun, ei ehkä olekaan aivan niin pysyvä ja jykevä kuin miltä se pienen likahidun näkökulmastani vaikuttaa. Itseasiassa varsin tukevalta vaikuttava maa jalkojeni alla onkin osa kivenmurikkaa, joka kiitää tässä parhaillaankin läpi avaruuden 30 kilometriä sekunnissa kiertäen valtavaa ydinräjähtelevää vetypalloa, jota Auringoksikin kutsutaan. Yrittäessäni siirtyä itsekeskeisestä pääni sisäisestä perspektiivistä, jossa maailmankaikkeus kiertää luonnollisestikin aina itseni ympärillä, yllämainittuun perspektiiviin, epäonnistun poikkeuksetta joka kerta. Mutta huolimatta tästä, yrittäessäni tehdä niin, mieleni valtaa aina hetkeksi se hassu tunne, joka valtaa mieleni aina hetkeksi, kun yritän tehdä niin. Siis. Yleensäkin aina, kun yritän hahmottaa maailman jostain muusta kuin omasta arkisesta ihmisnäkökulmastani, tuntuu että onnistun vaivoin muutamaksi sekunniksi venyttämään tajuntaani hitusen oikeaan suuntaan, mistä seuraa tietynlainen iloinen hämmennystila, jota on hyvin vaikea kuvailla. Suosittelen kokeilemaan, erityisesti yöllä tähtitaivasta ihaillessa. Kutsun sinut, hyvä lukija, myös raportoimaan tuloksista alla olevaan kommenttiosioon. Haluaisin tietää onko kokemukseni universaali, vai olenko sittenkin vain keskimääräistä enemmän sekaisin.

Tähän mennessä olemme vasta päässeet Kuuhun asti, josta nyt jatkamme toiseen taivasta dominoivaan objektiin, omaan rakkaaseen kotitähteemme, Aurinkoon. Auringosta valolla kestää matkata maanpinnalle jäätelön myyntiä kasvattamaan noin 500 sekuntia eli likimain kahdeksan minuuttia. Tämä varsin yksinkertainen tosiasiahan tarkoittaa muun muassa sitä, että jos Aurinko on räjähtänyt kappaleiksi viisi minuuttia sitten, niin meillä on vielä noin kolme minuuttia aikaa kehittää teknologia tähtienväliseen matkustamiseen ennen kuin räjähdyksen seuraukset ehtivät vaikuttaa Maahan asti. Harmi vain, että nykytiedon valossa meillä ei ole mitään keinoa tietää etukäteen räjähdyksestä, sillä suhteellisuusteorian mukaisesti minkäänlainen informaatio ei voi kulkea valoa nopeampaa. (Tähän palaan varmasti vielä myöhemmissä kirjoituksissani!) Seuraavat kolme minuuttia Aurinko näyttää meidän maallisesta näkökulmastamme vielä siltä kuin mitään ei olisi tapahtunut. Mutta paitsi että Auringon etäisyys maasta alkaa jo pakoilla toden teolla ihmisjärjen otetta, niin myös Auringon todellisen koon hahmoittaminen alkaa olla jo vahvasti ymmärryksen ulkopuolella. Tästä todisteina toimikoon SOHO-aurinkosatelliitin ottamat kuvat yksi, jossa maapallon koko rinnastetaan Auringon pinnalla tapahtuvaan materiapurkaukseen, ja kaksi, jossa on nähtävissä Auringon pinnalla auringonpilkku, joka kykenisi nielaisemaan koko maapallon yhdellä hotkaisulla, ja vielä jäädä nälkäiseksi. (Klikkaa linkkien kuvia nähdäksesi suuremmat versiot.)

Jos nyt kuitenkin malttaisimme jättää maailmanloppufantasiat toistaiseksi ja jatkaa matkaamme Auringosta poispäin kohti aurinkokunnan ghettoja, niin näemme miltä maapallomme näyttää kuuden miljardin kilometrin päästä maapallolta Neptunuksen ja Pluton ratojen tuolta puolen: haalea sininen piste, olkaa niin hyvät. Tämä Voyager 1 -luotaimen vuonna 1990 nappaama kuva on kaukaisimpana maapallosta otettu kuva maapallosta --- valon kesti matkata maanpinnalta kameran linssiin noin kuusi tuntia --- ja siihen sisältyy paljon symboliikkaa, jonka annan tähtitieteilijä Carl Saganin, kuvan symbolisen isän, itse selittää:

Tästä kaukaisesta kiintopisteestä nähtynä maapallo ei ehkä näytä mitenkään kovin kiinnostavalta. Mutta meille asia on toisin. Katso uudestaan tuota pistettä. Se on täällä, se on kotimme, se on me. Siellä ovat kaikki joita rakastat, kaikki jotka tiedät, kaikki joista olet ikinä kuullutkaan, jokainen olemassa ollut ihminen eli siellä elämänsä. Ilojemme ja kärsimyksiemme summa, tuhannet itsevarmat uskonnot, ideologiat ja taloudelliset oppijärjestelmät, jokainen metsästäjä ja keräilijä, jokainen sankari ja pelkuri, jokainen sivilisaatioiden luoja ja tuhoaja, jokainen kuningas ja alamainen, jokainen rakastunut nuoripari, jokainen äiti ja isä, toiveikas lapsi, keksijä ja tutkija, jokainen moraalien opettaja, jokainen korruptoitunut poliitikko, jokainen "superstara", jokainen "korkein johtaja", jokainen pyhimys ja synnintekijä lajimme historiassa eli siellä --- auringonsäteessä leijuvalla tomuhiukkasella.

Maa on hyvin pieni näyttämö suurella kosmisella areenalla. Ajattele niitä veren virtoja, jotka vuodatuttivat kaikki nuo kenraalit ja keisarit voidakseen tulla, kunniakkaasti ja voitokkaasti, pisteen murto-osan hetkellisiksi hallitsijoiksi. Ajattele niitä loputtomia julmuuksia, jotka tämän pikselin yhden kulman asukkaat kohdistivat toisen kulman lähes tulkoon samanlaisiin asukkaisiin, kuinka lukuisat heidän väärinymmärryksensä, kuinka halukkaita he ovatkaan tappamaan toisiaan, kuinka kiihkeä heidän vihansa.

Teeskentelymme, kuviteltu tärkeytemme, harha siitä että meillä olisi jonkinlainen erityisasema maailmankaikkeudessa, ovat haastettuina tämän himmeän valopisteen toimesta. Planeettamme on yksinäinen hitu suuressa ympäröivässä kosmisessa pimeydessä. Omassa tuntemattomuudessamme, tässä kaikessa tyhjyydessä, ei ole minkäänlaista viitettä siitä, että apu tulisi muualta pelastamaan meidät itseltämme.

Maa on ainoa maailma tähän mennessä, jonka tiedetään kantavan elämää. Ei ole mitään muuta paikkaa, johon lajimme voisi ainakaan lähitulevaisuudessa siirtyä. Käväistä, kyllä. Muuttaa, ei vielä. Pidit siitä tai et, tällä hetkellä Maa on se paikka, jossa teemme voitavamme.

On todettu, että tähtitiede on nöyristävä ja luonnetta kasvattava kokemus. Ei taida olla parempaa esimerkkiä ihmisten itsekkyyden mielettömyydestä kuin tämä kuva pikkuriikkisestä maailmastamme. Mielestäni se korostaa vastuutamme toimia ystävällisemmin toistemme kanssa, sekä säilyttää ja vaalia tuota haaleaa sinistä pistettä, ainoaa kotia jonka olemme ikinä tienneet.

-Carl Sagan, Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space, 1994

(Suomennos on omani. Alkuperäinen englanninkielinen teksti löytyy tuon ylläolevan linkin takaa.) Tässä on vielä uudempi etäinen kuva maapallosta, jonka Cassini-Huygens -luotain on ottanut Saturnuksen liepeiltä, ilmeisestikin. Maa näkyy kuvassa vaaleansinisenä täplänä Saturnuksen renkaiden vasemmalla ylälaidalla. Aurinko on sijoittuneena juuri Saturnuksen taakse, ja jäästä koostuvat renkaat siroavat Auringon valoa, mikä saa ne näyttämään taivaallisen hohtavilta avaruuden synkkää pimeyttä vasten.

Aurinkokunnastamme poistuttaessa saammekin kulkea aimo tovin ennen kuin vastaan tulee mitään muuta kuin tähtienvälistä steriiliä ja kylmää tyhjyyttä, lukuunottamatta satunnaisia jäisiä kivenmurikoita sekä kivisiä jäänmurikoita, joista jotkut kiitävät laajoja kiertoratojaan aurinkokunnan painovoiman vaikutuksen alaisena. Osa tulee silloin tällöin tervehtimäänkin aurinkokunnan sisäosiin aiheuttaen yleistä hämmennystä ja hienoisia lajien sukupuuttoja. Auringon jälkeen lähin tähti maapallolta käsin katsottuna on Proxima Centauri, josta valolla kestää Maahan asti kulkeutua noin 4,6 vuotta. Siten se on noin seitsemän tuhatta kertaa kauempana kuin mistä Voyager 1 kuvansa napsautti, ja maapallo on kadonnut jo kauas silmän kantamattomiin. Proxima on kuitenkin niin pieni ja himmeä --- noin yhden kahdeksasosan massaltaan Auringosta --- että sen valoa ei voi paljain ihmissilmin maanpinnalta havaita: tässä havainnollisessa kuvassa on Aurinko vasemmanpuolimmainen ja Proxima oikeanpuolimmainen tähdistä. Kaksi muuta ovat Proximan lähinaapurit, Alpha Centauri kaksoistähtijärjestelmän toisiaan kiertävät epäidenttiset kaksoset A ja B, jotka voi nähdä helposti Maastakin käsin tai, kuten tässä Cassini-Huygens -luotaimen ottamassa kuvassa, jälleen Saturnuksen liepeiltä.

Paitsi etäisyyksiä niin myös tähtien kokoja on mielenkiintoista verrata, ja vaikka meidän näkökulmastamme Aurinko vaikuttaa jättimäiseltä, niin tähtien joukossa se on säälittävä höyhensarjalainen. Tämä kuva havainnollistaa tilannetta varsin mainiosti. Kuvassa esiintyvä tähtien raskaassa sarjassa painiva Betelgeuse, jonka sisään mahtuisi heittämällä miljardi Aurinkoa, on helppo myös löytää taivaalta: se sijaitsee Orionin tähtikuvion vasemmassa "ylä"kulmassa. Betelgeuseen maapallolta on arviolta matkaa noin 640 valovuotta, eli toisin sanoen valonsäteeltä kestää 640 vuotta kulkea Betelgeusesta tähtiin tiirailijan silmään. Jotakuinkin samaan aikaan kuin nyt silmääsi osuva säde Betelgeusesta lähti liikkeelle, maailmassa tapahtui hirveyksiä: Euroopassa riehui musta surma, ja ensimmäiset käsiaseet sekä kutominen keksittiin. Toisaalta, jos Xyqbiwox sattuu Betegeusesta käsin Maahan päin tiirailemaan juuri tällä hetkellä, niin hän näkee juuri tämän, ja luultavasti tulee hyvin surulliseksi. (Tähän väliin täytyy kuitenkin huomauttaa, että etenkään suurilla etäisyyksillä yhtäaikaisuuden käsite ei ole yhtä yksikäsitteinen kuin voisi arkijärjellä kuvittella... Tästäkin tulen varmasti kirjoittamaan lisää myöhemmissä raapustuksissa.) Siinäpä sitä on ihmismielelle ihmeteltävää, kun seuraavan kerran sattuu Orionin tähtikuvioon yötaivaalla katsahtamaan.

Jossain vaiheessa luvut menettävät merkityksensä, ja käsittämättömän suurta suurempaa seuraa vain suurempi kuin käsittämättömän suurta suurempi. Vaikka tässä vaiheessa mittasuhteet alkavat vaikuttaa jo täysin käsittämättömiltä, ja arkijärki alkoi jo hetki tuonnempana kiljua hysteerisenä ja hyppäsi vauhdissa ulos kyydistämme, niin oikeastaan olemme vasta aivan matkamme alussa. Toisaalta, paitsi tilan ja ajan, niin myös tiedon puutteen vuoksi välietappiemme välimatkat pitenevät pitenemistään tästäkin eteenpäin. Ymmärrettävästi kauempana olevia kohteita on vaikeampi havaita, ja siksi aina vain suuremmilta etäisyyksiltä tiedämme aina vain vähemmän yksityiskohdista, ja keskitymme siis tarkastelemaan pääasiassa suuria rakenteita, joita on havainnollistettu tässä kuvassa.

Seuraava suuri rakenne on Linnunrata -galaksi, muutaman sadan miljardin tähden kasauma, jonka spiraalirakenteen eräässä hiljaisista haaroittuvista lähiöstä asustelemme. (Huomaa edelliseen kuvaan punaisella ympyrällä merkitty aurinkokuntamme sijainti, ja keltaisella ympyrällä merkitty aurinkokuntamme kulkema reitti galaksin keskustan ympäri.) Muutama sata miljardia on iso luku, mutta jonkinlaisen käsityksen sen suuruudesta voi saada siitä, että se on jotakuinkin samaa suuruusluokkaa kuin hiekanjyvien (~1mm^3) lukumäärä hiekalla täytetyssä keskikokoisessa uima-altaassa (~500m^3). Myös tästä aurinkokunnastamme galaksin keskustaan päin otetusta infrapuna-alueen kuvasta, jossa esiintyvät lukemattomat vaaleat pisteet ovat siis tähtiä, voi saada hataran otteen tähtien lukumäärästä galaksissamme: niitä on järjettömän paljon --- sanan varsinaisessa merkityksessä. Toisaalta Linnunrata on noin sata tuhatta valovuotta halkaisijaltaan, siispä valolla kestää sata tuhatta vuotta matkata Linnunradan laidalta toiseelle, johon verrattuna aurinkokuntamme koko on suurin piirtein samassa suhteessa kuin yhden hiekanjyvän läpimitta maapallon ympärysmittaan. Tämä jo kertoo meille, että Linnunrata on enimmäkseen tyhjää avaruutta --- uima-altaallinen hiekkaa siroteltuna maapalloa vastaavaan tilavuuteen. Tähtienvälisessä avaruudessa leijuu keskimäärin ehkäpä noin muutama kymmenen molekyyliä kuutiosenttimetrissä, vaikkakin hiukkastiheys vaihtelee suuresti satunnaisten kaasupilvien ja tyhjääkin tyhjemmän avaruuden välimaastossa. Mielenkiintoisena välihuomautuksena voi vielä todeta, että hiekanjyviä peräjälkeen latomalla tarvitsemme vain noin yhden kymmenesosan uima-altaan hiekasta kiertääksemme hiekkajyväjonollamme maapallon päiväntasaajan ympäri, mikä antaa vielä hieman lisää tuntumaa hiekanjyvien päätä kivistävään määrään uima-altaassamme. Täällä Linnunrata-nimisessä uima-altaassa meidän oma rakas Aurinkomme on vain yksi mitäänsanomaton hiekanjyvä muiden joukossa.

Linnunrata muodostaa noin kolmen kymmenen muun naapurigalaksin kanssa niin kutsutun paikallisen galaksiryhmän. Suurin osa näistä kolmesta kymmenestä on pieniä kääpiögalakseja, ja ryhmän suurimman galaksin tittelistä taistelee Linnunradan ohella Andromeda, jonka voi nähdä maanpinnalta jopa paljain silmin hyvissä havainnointi olosuhteissa, eli toisin sanoen kuuttomina öinä kaukana keinotekoisesta valaistuksesta. Tässä kuvassa Andromeda näkyy tosin kuvattuna teleskoopin läpi. Andromedasta valolla kestää kulkeutua maanpinnalle noin kaksi ja puoli miljoonaa vuotta. Vertailun vuoksi voi todeta, että samaan aikaan, kun valonsäde Andromedasta lähti matkaan kohti teleskooppia, ensimmäiset modernia ihmistä muistuttavat alkukantaiset oliot, Australopithecus garhit, alkoivat vaeltaa maan päällä ja valmistaa ensimmäisiä karkeita kivityökaluja.

Mutta kuinkas paljon galakseja sitten on kaikkiaan? Tässä Hubble-satelliitin ottamassa kuvassa, joka tällä hetkellä myös blogini taustakuvana toimii, on tarkka näkymä palaan taivasta, joka vastaa noin yhden hiekanjyvän peittämää alaa metrin päässä taivalle katsojan silmästä. Kuvassa on arviolta kymmenen tuhatta galaksia. Näitä piskuisia aloja taivaankannessa on noin kymmenen miljoonaa kappaletta, mikä tarkoittaa sitä, että kokonaisuudessaan taivasta Hubblen tarkkuudella tarkastellessa voi nähdä arviolta mieltä järkyttävät sata miljardia galaksia. Siispä asuttamamme Linnunrata on vain edelleen rekursiivisesti yksittäinen hiekanjyvä kosmoksen valtavassa uima-altaassa. Vastaavasti yksittäisiä tähtiä on Hubblen näköetäisyydellä suurin piirtein saman verran kuin hiekanjyviä olisi maapallon koko maapinta-alan peittävissä vieriviereen rakennetuissa uima-altaissa yhteensä. Ylläolevassa kuvassa kaukaisimmista kuvassa näkyvistä galakseista valolla on kestänyt noin 13 miljardia vuotta kulkeutua maapallon läheisyyteen, joka on yli kolme kertaa itse maapallon ikä, ja alle miljardi vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Juurikaan 13 miljardia vuotta aiemmaksi emme sitten kykene valolla havaintoja tekemäänkään, sillä noin 13,3 miljardin vuoden paikkeilla vastaan tulee niin sanottu "viimeinen siroamispinta", kansankielellä "seinä". Tämä vaatii hieman selittämistä, itseasiassa enemmän kuin mitä tämän raapustuksen puitteissa olen valmis toimittamaan, joten palaan tähän(kin) asiaan varmasti vielä myöhemmin. Totean vain, että asiahan on nyt niin, että maailmankaikkeus laajenee: Taivaalle teleskoopeilla tähyämällä voidaan todeta, että kaikki kaukaiset, paikalliseen galaksiryhmäämme kuulumattomat galaksit etääntyvät meistä kaiken aikaa kaikkiin suuntiin. Paras kuvauksemme maailmankaikkeudesta suurilla etäisyyksillä, Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, osaa kertoa, että tämä etääntyminen ei suinkaan johdu siitä, että galaksit varsinaisesti liikkuisivat avaruudessa, koska oma galaksimme jätti suihkun väliin aamulla, vaan siitä, että avaruus galaksien välillä laajenee. Perinteisiä mielikuvia, joita ei tule ottaa liian vakavasti, mutta jotka voivat auttaa hahmottamaan tilannetta, ovat kohoava pullataikina, jossa rusinat ovat galakseja ja rusinoiden välissä laajeneva taikina avaruutta, sekä puhallettavan ilmapallon pinta, jonka pinnalle piirretyt pisteet edustavat galakseja. (Jälkimmäinen näistä mielikuvista on jossain määrin harhaanjohtavampi, sillä ilmapallon kaksiulotteinen pinta sijaitsee upotettuna kolmiulotteiseen avaruuteen, kun taas universumimme (näillä näkymin) kolmeulotteinen avaruus ei (välttämättä) sijaitse upotettuna korkeampi ulotteiseen avaruuteen. (Suluissa olevat sanat osoittavat sitä, että emme vielä tiedä erityisen varmasti onko universumissamme muitakin vaikeammin havaittavia ulottuvuuksia kuin tutut kolme avaruusulottuvuutta ja yksi aikaulottuvuus. (Toisaalta koko ulottuvuuden käsite voi olla tietyssä mielessä vain approksimatiivinen... Noh, näistä(kin) aiheista mahdollisesti lisää myöhemmissä kirjoituksissa!))) Mutta koska galaksien välinen avaruus laajenee tälläkin hetkellä, se tarkoittaa tietenkin sitä, että havaittavissa oleva maailmankaikkeus on ollut pienempi aikaisemmin. Ja kun menemme riittävän kauas ajassa taaksepäin, tarkalleen ottaen noin 13,7 miljardia vuotta, niin maailmankaikkeudesta tulee hyvin hyvin pieni. Toisaalta, koska maailmankaikkeudessa oleva aine ja energia ei häviä mihinkään, niin mitä pienempi maailmankaikkeudesta tulee taaksepäin ajassa kuljettaessa, sitä tiiviimmäksi ja lämpimämmäksi siihen sisältyvä aine muuttuu. Ja kun menemme riittävän kauas ajassa taaksepäin, tarkalleen ottaen noin 13,7 miljardia vuotta, niin maailmankaikkeudesta tulee hyvin hyvin kuuma. Ennen vuotta 380 000 jälkeen Kosmoksen, eli mentäessä yli 13,3 miljardia vuotta ajassa taaksepäin, maailmankaikkeus on niin kuuma ja tiivis, että sähkömagneettiset voimat eivät kykene "enää" pitämään atomeita kasassa. Siten maailmankaikkeuden täyttää sähkömagneettisesti varatuista hiukkasista, elektroneista ja atomiytimistä, koostuva ionipuuro, eli plasma, johon voisilmä varmasti sulaisi. Tämä universumin jämäkkääkin jämäkämpi aamupuuro esti sähkömagneettisen säteilyn etenemisen hyvin tehokkaasti, ja tämän takia emme pysty valolla tekemään havaintoja näin varhaiseen aikaan. Noin 13,3 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeus laajeni riittävästi viilentäen aineen noin kolmeen tuhanteen asteeseen, jolloin ensimmäiset atomit, pääosin vetyä ja heliumia, kykenivät muodostumaan, ja valo pääsi vihdoin vapaaksi. Tänäkin päivänä tämä vapautunut valo on havaittavissa taivaalla niin kutsuttuna kosmisena taustasäteilynä, joka näyttää WMAP-satelliitin kuvaamana tältä. Maailmankaikkeuden laajenemisen takia tuo valo on tosin venynyt aikojen saatossa ja siten siirtynyt pois näkyvän valon aallonpituuksilta mikroaaltosäteilyksi. Vaikka tätä valonlähdettä kauemmaksi emme pysty sähkömagneettisen säteilyn avulla suoria havaintoja enää tekemään, niin esimerkiksi WMAPin kuvassa nähtävistä kosmisen taustasäteilyn epätasaisuuksista on mahdollista päätellä joitain asioita varhaisemmasta maailmankaikkeudesta modernin fysiikan teorioita hyväksi käyttäen, sillä epätasaisuudet juontavat juurensa pienimpien mittakaavojen oudompaakin oudompiin kvanttiomituisuuksiin. Hyvin hyvin varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumat ovat kuitenkin edelleen suureksi osaksi hämärän peitossa, koska emme lainkaan tiedä vielä, miten luonto käyttäytyy pienimmillä mahdollisilla etäisyyksillä.

On vielä mainittava, että tähän mennessä käsittelemämme mittakaavat sisältävät "vain" havaittavissa olevan osan maailmankaikkeudesta. Koska valon äärellinen nopeus ja maailmankaikkeuden äärellinen ikä estävät yksissä tuumin meitä tekemästä havaintoja tämän pidemmälle, niin on lähes mahdotonta sanoa mitään kovin varmaa havaitsemamme maailmankaikkeuden osan ulkopuolisesta todellisuudesta. Jos nykyisin tuntemamme fysiikan lait säilyttävät pätevyytensä, niin todennäköisesti edellä käsittelemämme mittakaavat ovat vain mitätön osa kokonaisuutta, ja maailmankaikkeus jatkuu pitkälle havaintokuplamme ulkopuolellekin --- mahdollisesti äärettömiin.

Varhaisen maailmankaikkeuden epätasaisuudet, joista kosmisen taustasäteilyn ryppyisyys on edelleen merkkinä, toimivat lähteenä myöhemmän maailmankaikkeuden epätasaisuuksille --- galakseille ja galaksiryhmille ---, ja siten ne mahdollistivat tähtien, planeettojen ja pienten neliraajaisten kamalaa mekkalaa pitävien otusten kehittymisen. Koska varhaisin maailmankaikkeus oli hyvin hyvin pieni ja hyvin hyvin kuuma, niin yrittäessämme ymmärtää näkyvän maailmankaikkeuden suurimpia mahdollisia mittakaavoja päädymmekin lopulta kiehtovan koomisesti tarkastelemaan maailmankaikkeuden pienimpiä mahdollisia mittakaavoja. Tämän täytyy olla eräs Kosmoksen hämmentävimmistä tosiasioista. Näihin sameisiin syvyyksiin sukellamme pää edellä uppeluksiin seuraavassa (oikeassa) kirjoituksessani.