"Kun katsomme tarpeeksi kauas, voimme siis katsoa alkuräjähdykseen saakka."
Kosmologialla tarkoitetaan oppia maailmankaikkeuden synnystä ja sen ominaisuuksista. Aiheesta on esitetty monenlaisia mielipiteitä, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana kosmologia on ravistanut yltään sille puetun filosofisen kaavun ja muuttunut täsmätieteeksi. Nykyään kosmologia on eräs fysiikan osa-alue.
Einsteinin suhteellisuusteoriaan pohjaavan nykykosmologian mukaan maailmankaikkeus syntyi alkuräjähdyksessä noin 13,7 miljardia vuotta sitten, mutta mistä tiedämme, että kosmologit ovat oikeassa? Miten voimme saada tietoa historiasta, joka on vanhempaa kuin maapallo, vanhempaa kuin koko aurinkokuntamme?
Vastaus on yksinkertainen: katsomalla. Näemme avaruuteen valon ansiosta. Mutta valo ei kulje äärettömän nopeasti vaan taittaa sekunnissa vain 300 000 kilometrin matkan. Ensikuulemalta tuntuu, että moista vauhtia ei sovi vähätellä. Reilussa sekunnissa valo kiitää liki kymmenen kertaa maapallon ympäri tai matkustaa Kuuhun.
Mikään ei kulje nopeammin kuin valo, mutta silti kosmisissa mittapuitteissa valo on hidasta: lähimpään tähteen se taivaltaa yli neljä vuotta, galaksimme halki raahustamiseen valo käyttää peräti satatuhatta vuotta. Ja galakseja näkyvässä kosmoksessa on miljardeittain.
Kaikki nuo kaukaiset galaksit näemme valon ansiosta. Mitä kauemmaksi katsomme avaruuteen, sitä kauemmaksi samalla katsomme menneisyyteen. Etäisen galaksin valo, joka juuri nyt saavuttaa tähtitieteilijän kaukoputken, lähti matkaan hyvin kauan sitten. Okulaaripäähän piirtyvä kuva näyttää galaksin sellaisena kuin se oli miljoonia tai jopa miljardeja vuosia sitten.
Kun katsomme tarpeeksi kauas, voimme siis katsoa alkuräjähdykseen saakka. Niinpä satelliitit ja maanpäälliset havaintolaitteet ovat viimeisen 15 vuoden aikana kyenneet ottamaan valokuvan alkuräjähdyksen heikosta kaiusta, joka saavuttaa meidät mikroaaltosäteilynä. Se on ensimmäistä valoa, raamatullista luomisen hehkua, jonka ominaisuuksia tutkimalla kosmologit ovat kyenneet määrittämään sekä maailmankaikkeuden iän että sen sisältämän aineen määrän.
Kosminen mikroaaltosäteily on radiokohinaa, joka havaittiin ensimmäisen kerran sattumalta 1965 tietoliikenneantennia testattaessa. Säteilyä tulee universumin jokaiselta kolkalta. Sen lämpötila on 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella eli -270 C. Kylmyydestään huolimatta se kertoo tärkeän viestin: kauan sitten maailmankaikkeus oli hyvin kuuma ja hyvin tiheä.
Kun mikroaaltosäteily syntyi, maailmankaikkeuden ikä oli 380 000 vuotta ja lämpötila noin 4 000 C. Silloin ei ollut olemassa planeettoja tai galakseja, vaan aine oli kuumaa alkeishiukkaspuuroa, plasmaa.
Kosmisessa mikroaaltosäteilyssä esiintyy suunnasta riippuvia pieniä, noin asteen sadastuhannesosan suuruisia eroja, jotka muodostavat avaimen kosmoksen ymmärtämiseen. Niiden jakauma ja ominaisuudet paljastavat, millaista ainetta alkuplasmassa oli ja millainen tulevaisuus universumia odottaa.
Amerikkalainen WMAP-satelliitti mittasi vuonna 2003 näitä lämpötilaeroja hyvin tarkasti. Sen ansiosta tiedämme, että 23 prosenttia maailmankaikkeuden massasta koostuu ns. pimeästä aineesta, joka ei säteile eikä heijasta valoa tai yleisesti sähkömagneettista säteilyä. Kenties parempi nimitys olisi läpinäkyvä aine. Sen olemassaolo on voitu päätellä sen painovoiman aiheuttamista vaikutuksista. Yleisesti uskotaan, että pimeä aine on toistaiseksi tuntemattomien alkeishiukkasten muodostamaa kaasua, joka on levinnyt avaruuteen.
73 prosenttia maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainettakin mystisempää pimeää (eli siis läpinäkyvää) energiaa. Sen luonteesta esiintyy vain arvailuja. Loput neljä prosenttia on meille tuttua tavallista ainetta, josta koostuvat sekä ihmiset että galaksit.
WMAP-satelliitin mittaukset kertovat myös, että avaruuden laajeneminen tulee jatkumaan loputtomiin. Sykkivän maailmankaikkeuden malli, jossa universumi romahtaisi kaukaisessa tulevaisuudessa kasaan ponnahtaakseen taas Feeniks-linnun lailla uuteen elämään, ei havaintojen valossa vaikuta mahdolliselta.
Mikroaaltosäteilyn syntyhetkeä varhempaan kosmokseen emme enää kykene näkemään, sillä tuolloin alkuplasma oli läpinäkymätöntä. Epäsuorasti ja teorian avustamana voidaan matkata ainakin sekunnin sadasmiljardisosan päähän alkuräjähdyksestä. Tuolloin maailmankaikkeus oli niin kuuma, että atomien ytimetkin olivat sulaneina rakenneosasiinsa kvarkkeihin.
Teoreettisesti alkuhetkellä maailmankaikkeuden kaikki aine oli sulloutuneena yhteen matemaattiseen pisteeseen eli alkusingulariteettiin. On syytä huomata, että alkuräjähdys ei tapahtunut missään erityisessä paikassa. Ei ole olemassa avaruuden pistettä - vaikkapa Oulun Rotuaarilla - jonne voisimme ruuvata messinkilaatan muistuttamaan tapahtumasta. Alkuräjähdys ei tapahtunut jossakin tyhjässä tilassa vaan aika ja avaruus molemmat saivat suhteellisuusteorian mukaan alkunsa alkuräjähdyksessä. Voisimme sanoa, että alkuräjähdys tapahtui kaikkialla yhtä aikaa.
Mutta miksi alkuräjähdys tapahtui? Koska myös aika alkaa alkuräjähdyksestä, kysymys "mitä oli ennen alkuräjähdystä" ei ole mielekäs. Siksi suhteellisuusteoriassa puhe alkuräjähdyksen syystä ei ole mielekästä.
Ajan olemusta suhteellisuusteoriassa voi verrata maapallon leveyspiireihin. Jos voisimme kulkea ajassa taaksepäin, sitä voisi kuvailla matkustamiseksi kohti pohjoista. Alkuräjähdys vastaa pohjoisnapaa: aika näet loppuu samaan tapaan kuin pohjoisuuskin.
Pohjoisnavalla seisoskellessa on turha tivata, mitä on vielä pohjoisempana; mitään järkevää vastausta ei ole olemassa. Vastaavasti alkuräjähdystä ennen ei ollut olemassa aikaa. Ajan alkupisteessä ei ole menneisyyteen johtavaa suuntaa, jonne aika jatkuisi. Tässä katsannossa alkuräjähdyksellä ei siis ole syytä: se on vain eräs maailmankaikkeuden ominaisuus samassa mielessä kuin Maan pallonmuotoisuus on sen ominaisuus.
Tosin fyysikot uskovat yleisesti, että Einsteinin suhteellisuusteoria ei ole lopullinen teoria vaan sitä pitää muokata alkuräjähdyksen jälkeisen ensimmäisen sekunnin murto-osien kohdalla. Tämä johtuu siitä, että tuolloin kvanttifysikaaliset ilmiöt pitää ottaa huomioon.
