Aikamatkustus
Aikamatkustus (myös aikamatkailu ja matkustaminen ajassa) tarkoittaa aineen liikkumisen ajassa eteen- tai taaksepäin, mutta yleensä sillä tarkoitetaan juuri ihmisen matkustusta ajassa. Fyysikot eivät ole nykyaikana yksimielisiä siitä, onko tällainen liikkuminen ajassa ylipäänsä mahdollista, mutta aikamatkailun mahdottomuutta ei ole koskaan pystytty tieteellisesti todistamaan.
Mikäli matkustaminen ajassa on mahdollista, se aiheuttaa monia ongelmia. Eräs esimerkki aikamatkustuksesta aiheutuvista teoreettisista pulmista on ns. isoisäparadoksi, joka käsittelee menneisyyden muuttamista.
Taustatietoa
Aika fysiikassa
Fysiikassa perussuure aika (tunnus t) määritellään tapahtumien välisenä etäisyytenä aika-avaruuden neljännellä akselilla. Suppean suhteellisuusteorian mukaan aikaa ei voi esittää muuten kuin aika-avaruuden osana. Tapahtumien välinen etäisyys riippuu tapahtumia tarkkailevien havainnoitsijoiden suhteellisesta nopeudesta tapahtumaan nähden. Yleinen suhteellisuusteoria muutti ajan määritelmää vielä enemmän esittämällä kaareutuneen aika-avaruuden käsitteen. Eristetyssä systeemissä ajan kuluessa eteenpäin entropia kasvaa aina, joten entropian kasvusta voidaan päätellä ajan suunta. Normaalisti kausaliteetin mukaisesti syy on myös aina ennen seurausta.
Ajan voi käsittää myös nopeudeksi, jolla eri ilmiöt tapahtuvat. Esimerkiksi suuressa gravitaatiokentässä aika kuluu hitaammin kuin pienessä gravitaatiokentässä, mikä näkyy esimerkiksi kemiallisten reaktioiden ja kellojen käynnin hidastumisena. Itse emme kuitenkaan voi huomata ajan kulumisessa tapahtuvia muutoksia lähiympäristössämme, sillä aivomme ja havaintommekin toimivat samalla, aikaan sidotulla nopeudella.
Ajatuksen aikamatkailusta historiaa
Vuonna 1949 itävaltalainen matemaatikko Kurt Gödel "löysi" uudentyyppisen aika-avaruuden, joka antoi ensimmäisiä viitteitä fysiikan lakien mahdollisesta aikamatkustuksen sallimisesta. Gödelin teoreettisessa maailmankaikkeudessa oli erikoisena piirteenä tämän maailmankaikkeuden pyöriminen. Gödelin teoreettisessa maailmankaikkeudessa saattoi yleisen suhteellisuusteoriankin mukaan lähteä aikamatkalle ja palata ennen lähtöään, vaikkakin suhteellisuusteorian kehittäjä Albert Einstein oli itse sitä mieltä, etteivät hänen teoriansa sallineet aikamatkustuksen mahdollisuutta. Gödelin laskut eivät kuitenkaan mahdollista aikamatkailua siinä maailmankaikkeudessa, jossa me elämme, sillä tutkijoiden on onnistunut todistaa maailmankaikkeuden pyörimättömyys. Lisäksi Gödel oletti laskuissaan, että Einsteinin kosmologisella vaikolla olisi nollasta poikkeava arvo, mikä on nykyajan tutkijoiden yleisen mielipiteen vastaista.
Gödelin esittämien ajatusten jälkeen on löydetty lisää mahdollisuuksia, jotka mahdollistaisivat aikamatkustuksen rikkomatta yleistä suhteellisuusteoriaa. Tällaisia aikamatkustuksen salliviailmiöitä voisivat olla esimerkiksi pyörivän mustan aukon sisus taikka maailmankkaikkeus, jossa kaksi ns. kosmista jännettä ohittavat toisensa hyvin suurilla nopeuksilla. Kosmiset jänteet ovat maailmankaikkeuden alkuhetkillä syntyneiden symmetriarikkojen tuottamia. Kosmiset jänteet ovat äärimmäisen ohuita ja huippupitkiä, ja niitä jännittävä voima voi olla tuhat miljardia biljoonaa tonnia.
Fysiikan lait ja aikamatkustus
Eräs mahdollisuus matkustaa ajassa on valonnopeuden tyhjiössä (eli 299 792 458 metriä sekunnissa) ylittäminen. Suhteellisuusteorian mukaan aika riippuu havaitsijan nopeudesta, eli aika hidastuu havaitsijan nopeuden kiihtyessä. Liikuttaessa valonnopeudella ajan pitäisi olla pysähtynyt - tällainen tila vallitsee mm. lähelle mustien aukkojen singulariteettia. Tästä on päätelty, että aika alkaa liikkua taaksepäin, mikäli havaitsija ylittää valonnopeuden.
Suhteellisuusteoria siis sallisi aikamatkustuksen, mikäli ajassa matkustava kohde liikkuisi valoa nopeammin. Kuitenkin muutama toinen suhteellisuusteorian kohta asettaa esteitä aikamatkustukselle. Suhteellisuusteorian mukaan fysiikan lait ovat samat kaikille havaitsijoille samat riippumatta havaitsijan nopeudesta. Tämä tarkoittaa sitä, että vallonnopeutta lähestyvä havaitsija on myös massan lisääntymisen lakien alainen, toisin sanoen tämän massa kasvaa samalla kun nopeus lisääntyy.[1] Tästä johtuen aineen, joka liikkuu valonnopeudella, massan täytyy olla ääretön.[1] Äärettömän massan siirtymiseen paikasta A paikkaan B vaatii äärettömän määrän energiaa, mikä on mahdotonta tuottaa.[1]
Madonreiät ja kosmiset jänteet
Fysiikan lait siis tekevät valoa nopeammasta liikkumisestä mahdotonta, mikä samalla estää materian matkaamista ajassa tällä perusteella. Tämä ei kuitenkaan todista aikamatkustusta mahdottomaksi, koska suhteellisuusteoria ei kiellä aika-avaruuden käpristymistä. Mikäli aika-avaruus ajatellaan kumisena kalvona, jota mikä tahansa massiivinen kohde taivuttaa jonkin verran, voidaan ajatella ettei kyseinen kalvo ole täysin suora. Jos kalvo on tarpeeksi käpristynyt, se voidaan ajatella monikerroksiseksi taiteltuna. Jos taitellun kalvon "ylimmäisessä kerroksessa" sijaitsee tarpeeksi raskas huippumassiivinen kohde kuten mustien aukkojen sisuksissa mahdollisesti esiintyvä singulariteetti, sen massa saattaa riittä tekemään aukon aika-avaruuteen. Tätä aukko pitkin olisi teoriassa mahdollista siirtyä ylimmäisesät kerroksesta alempiin kerroksiin äärimmäisen nopeassa ajassa. Koska suhteellisuusteoria myös mahdollistaa ajan nopeuden erilaisuuden eri paikoissa, voisi toisen aukon suulla olla eri tahtiin kulkeva aika kuin muodostuneen tunnelin toisessa päässä. Tällöin aukkojen välillä nopeasti matkaava havaitsija siirtyisi hetkessä toiseen aikaan ja aikamatkustus toteutuisi. Tällaisia aikamatkustuksen mahdollistavia "tunneleita" aika-avaruuden eri pisteiden välillä kutsutaan nimellä madonreiät.
Aikamatkustus voisi ainakin teoriassa olla mahdollinen myös kosmisten jänteiden avulla. Aika-avruus on jänteen ulkopuolella laakea, mutta jänteen kohdalla se katkeaa teräväksi reunaksi.[2] Kirjassaan Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa eräs nykyajan johtavista teoreettisista fyysikoista eli Stephen Hawking vertaa kosmista jännettä paperista leikattuun kartioon. Kun paperisesta ympyrästä leikataan irti sektori, voidaan tämä irtileikattu pala taivuttaa kartioksi. Kartiopinna aika-avaruus on tällöin laakea, koska se on samasta paperista kuin alkuperäinenkin ympyrä, mutta kartion kärjessä aika-avaruus on kaareutunut. Tämä voidaan huomata siitä, että kartion kärjestä tietylle etäisyydelle piirretyn ympyrän kehä on lyhyempi kuin sellaisen ympyrän kehä, joka on piirretty alkuperäisen ympyrän keskipisteestä tälle samalle etäisyydelle.[2] Tämä johtaa siihen, että kärjen ympäri kierrettäessä matka ei ole yhtä pitkä kuin alkuperäisen laakean aika-avaruuden perusteella voisi olettaa, vaan lyhyempi.[2] Yksittäinen kosminen jänne aiheuttaa samanlaisen lyhenemisen, sillä laakeasta aika-avaruudesta leikkautunut palanen lyhentää jänteen ympäri kuljettavaa matkaa muuttamatta jänteen sunnasta mitattua aikaa tai etäisyyttä.[2] Tästä johtuen yksittäinen kosminen jänne ei voi aiheuttaa aikamatkailuun vaadittavia aikasilmukoita,[2] mutta kahteen jänteen kohdatessa tilanne on toinen. Tällöin ensimmäisen jänteen aika ja avaruus vaikuttavat toisen jänteen ajan suuntaan. Mikäli kosmiset jänteet liikkuvat toistensa suhteen lähes valonnopeudella, molempien jänteiden ympäri kierrettäessä voidaan mahdollisesti matkustaa menneisyyteen.[2]
Ihmisen mahdollisuudet matkustaa ajassa
Aikakone
- Pääartikkeli: Aikakone
Jos suhteellisuusteoria mahdollistaa aikamatkailun, olisi myös periaatteessa mahdollista rakentaa tai luoda laite, jolla pystyisi matkaamaan ajassa. Ohjeet tällaisen koneen rakentamiseksi ovat jo olemassa,[3] mutta ihmiskunnan teknologisen tietämyksen taso ei vielä riitä niiden toteuttamiseen käytännössä. Lisäksi nämä rakennusohjeet vaativat joidenkin vielä todistamatta olevien teorioiden paikkansapitävyyttää. Esimerkiksi ei vielä tiedetä, onko madonreikien vakauttaminen ylipäänsä mahdollista vai hajoavatko ne sekunnin murto-osassa syntymänsä jälkeen.
Aikakoneena voisi esimerkiksi käyttää madonreikää, jonka ihminen on keinotekoisesti luonut. Tämä voisi onnistua, mikäli pystyttäisiin rakentamaan todella tehokas hiukkaskiihdytin. Mahdollisesti joissain jo olemassa tai rakenteilla olevissa kiihdyttimissä voisi luoda hyvin lyhytikäisiä madonreikiä, jotka katoaisivat hetkessä syntymänsä jälkeen. Fysiikan lait eivät tee madonreiän vakauttamisesta mahdotonta, mutta ne eivät myöskään todista sen olevan mahdollista. Eräs toimiva keino voisi olla syöttää madonreikään jatkuvasti negatiivista energiaa, mutta ihmiskunnan nykytietämyksen valossa ei voida varmasti sanoa tämän keinon tepsivän. Mikäli madonreiän kuitenkin pystyisi vakauttamaan, sen eri päiden ajat pitäis iseuraavaksi saada poikkeamaan toisistaan. Tämä onnsituisi esimerkiksi laittamalla toisen pään kiertämään vuosiksi hiukkaskiihdytintä tai viemällä toisen pään hyvin raskaan kohteen kuten neutronitähden läheisyyteen vuosiksi. Tällöin aika kulkisi madonreiän eri päissä eri tahtiin ja mentäessä sisään päästä A saavuttaisiin eri aikaan kuin lähtiessä.
Aikamatkustuksen riskit
Vaikka matkaaminen ajassa olisikin mahdollista, siihen sisältyy useita riskejä. Jos jätetäänkin pois kaikki menneisyyden muuttamisesta syntyvät ongelmat, jää jäljelle vielä joukko itse ajassa matkustamiseen liittyviä uhkatekijöitä. Aikamatkustuksen vaatima aikamatkahorisontti tuo omat riskinsä matkustamiseen. Mustan aukon horisontti koostuu niistä valonsäteistä, jotka juuri ja juuri välttyvät putoamasta aukkoon, kun taas aikamatkahorisontti koostuu niistä valonsäteistä, jotka kohtaavat toisensa. Tämän vuoksi mustan aukon horisontti ja aikamatkahorisontti muistuttavat toisiaan. Mikäli tällainen aikamatkahorisontti olisi yksi aikakoneen toimivuuden ehto – kuten esimerkiksi fyysikko Stephen Hawking arvelee – syntyy riski siitä, että aikamatkustaja jää valonsäteiden kanssa kiertämään rajattua aluetta kokien toistuvia tapahtumia. Tällöin aikamatkaaja ei siirrykään hetkessä pisteestä A pisteeseen B vaan jää kiertämään toistuvien tapahtumien sarjaa.
Aikamatkahorisontti tuottaa vielä toisenkin riskin. Valonsäteiden kiertäessä jatkuvasti samaa pistettä ne tuovat nollapiste-energiansa yhä uudelleen samaan paikkaan, mikä johtaa lopulta horisontin energiatiheyden kasvamisen äärettömäksi. Mikäli jokin avaruusalus yrittäisi kulkea tällaisen horisontin läpi päästäkseen matkaamaan ajassa, se tuhoutuisi kirkkaassa leimahduksessa pääsemättä koskaan aikamatkahorisontin läpi. Vaikka aikamatkustamista haluavan kulttuurin teknologia olisi niin korkealla tasolla, että se pystyy poistamaan virtuaalihiukkasia aikamatkahorisontista, ei edes tämä poista riskiä tuhoutua kirkkaassa energiapurkauksessa. Tällöin aikamatkahorisontista voi tulla äärimmäisen epävakaa, ja pienikin häiriö – esimerkiksi avaruusaluksen yritys ylittää aikamatkahorisontti päästäkseen matkaamaan ajassa – saattaa vapauttaa koko horisontin energian yhtenä ainoana purkauksena tuhoten avaruusaluksen täydellisesti.
Tunnettujen tutkijoiden näkemyksiä aikamatkailusta
Monilla tunnetuilla tutkijoilla on erilaisia näkemyksiä aikamatkailun mahdollisuudesta tai mahdottomuudesta. Esimerkiksi 1900-luvun ja koko maailmanhistorian tärkeimpiin fyysikoihin kuulunut saksalaissyntyinen Albert Einstein katsoi, etteivät hänen suhteellisuusteoriansa mahdollistaneet matkustamista ajassa. Einsteinille olikin järkytys, kun hänen työtoverinsa Kurt Gödel vuonna 1949 huomasi pyörivän maailmankaikkeuden olevan täynnä aikamatkustuksen mahdollistavia madonreikiä.[4] Tosin Gödelin malli vaati kosmologisen vakion olemassaolon, mistä fyysikot eivät vieläkään ole yksimielisiä.
Nykyajan johtaviin teoreettisiin fyysikoihin ja useiden mielestä koko maailmanhistorian nerokkaimpiin teoreettisiin matemaatikkoihin Einsteinin jälkeen[5] kuuluva Stephen Hawking on eräs aikamatkustukseen kriittisesti suhteutuvista tutkijoista. Kuuluisissa teoksissaan Ajan lyhyt historia ja Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa Hawking ei suoraan kiellä aikamatkustuksen mahdollisuutta, mutta pitää sitä hyvin epätodennäköisenä. Hänen laskujensa mukaan todennäköisyys sille, että joku ihminen pystyy matkaavaan menneisyyteen ja murhaamaan isosiänsä, olisi yhden suhde lukuun kymmenen potenssiin miljoona triljoonaa triljoonaa triljoonaa.[4]
Aikamatkustuksen mahdollisuuden esiintuomat ongelmat
- Pääartikkeli: Isoisäparadoksi
Mikäli aikamatkustus olisi mahdollista, se synnyttäisi muutamia ongelmia. Populaarikulttuurissa tunnetuin tällaisista aikamatkailuun liittyvistä paradokseista on isoisäparadoksiksi kutsuttu aikamatkustukseen liittyvä paradoksi. Isoisäparadoksissa aikamatkailija matkaa menneisyyteen ja tappaa oman isoisänsä, jolloin häntä itseään ei koskaan syntynyt eikä hän siten voi matkata menneisyyteen tappamaan isoisäänsä. Paradoksia on pyritty selittämään sillä, että menneisyyteen matkaavaa massaa rajoittaisi vielä tuntematon perusvoima, joka estäisi tätä muuttamasta historiaa. Toinen tarjottu selitys on ajatusmalli rinnakkaisulottuvuuksista tai vaihtoehtoisista tulevaisuuksista, jolloin aika voidaan ajatella haarautuvana virtana.
Toinen esitetty aikamatkustusongelma on kysymys siitä, miksei maapallolla ole tietojen mukaan vieraillut yksikään tulevaisuudesta saapunut ihminen. Tähän kysymykseen on tarjottu erilaisia ratkaisuja. Erään ratkaisumallin mukaan tulevaisuuden johtajat ovat ymmärtäneet aikamatkailun vaarat ja siksi kieltäneet aikamatkailun menneisyyteen. Tämä ei kuitenkaan selitä sitä, miksei kukaan neuvokas rikollinen olisi rikkonut tätä lakia. Toinen ja tieteellisempi vaihtoehto on se, että aikakoneella voi matkustaa vain tiettyihin aikoihin. Aikakoneella ei voisi matkustaa aikaan, jolloin aikakonetta ei ole ollut vielä rakennettu. Eli jos aikakone valmistuu tammikuun 1. päivänä, sillä ei voida matkata tätä kauemmas menneisyyteen kuten edellisvuoteen.
Lähteet
Yleiset lähteet
- Hawking, Stephen W.: Ajan lyhyt historia. (Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos. Suomentanut Risto Varteva. Porvoo Helsinki Juva: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9.
- Hawking, Stephen W.: Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. (Alkuteos: The Universe in a Nutshell, 2001.) Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2003. ISBN 951-0-28400-9.
Lähdeviitteet
- ↑ a b c Tieteen Kuvalehti numero 10/2001 s. 5
- ↑ a b c d e f Hawking, Stephen W.: Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. (Alkuteos: The Universe in a Nutshell, 2001.) Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2003. ISBN 951-0-28400-9.
- ↑ Tieteen Kuvalehti numero 12/2004 s. 78-83
- ↑ a b Hawking, Stephen W.: Ajan lyhyt historia. (Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos. Suomentanut Risto Varteva. Porvoo Helsinki Juva: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9. s. 133-153
- ↑ Esimerkiksi Lisa Milesin Avaruuden aapinen -kirjassa vuodelta 1999 edustetaan tätä näkökantaa