Voiko ajassa matkustaa?

Yurikamome warp drive - OiMax (CC BY 2.0)

Aikamatkustaminen, tuo tieteiselokuvien suosikkiaihe olkoon myös minunkin aiheenani tänään. Sivusin aikadilaatiota lyhyesti jo maapallon ulkopuolista elämää pohtivassa kirjoituksessani, mutta aiheesta voisi kirjoittaa paljon enemmänkin. Onhan aihe kuitenkin hurjan kiehtova ja juuri sopivan mahdoton järjellisesti hahmottaa, että se sopii hienosti aiheeksi blogitekstille. Tieteiselokuvissa harvoin pohditaan aikamatkustamista tieteellisen logiikan valossa: Paluu tulevaisuuteen -elokuvassa Marty McFly matkustaa menneisyyteen plasman ja teslamuuntajan yhteisreaktiolla toimivalla DeLorean dmc-12 autolla, kun taas Heroes -sarjassa sankari Hiro Nakamura pystyy taivuttamaan aika-avaruus -akselia pelkällä mielensä voimalla. Cristopher Nolanin ohjaama Interstellar taisikin olla ensimmäisiä tieteiselokuvia, jossa aikamatkustaminen perustui tieteen teorioiden valossa mahdollisiin lopputuloksiin. Siinä aikamatkustamisen keskeisinä tekijöinä olivat painovoima, nopeus, madonreiät ja musta aukko.

1900-luvulle asti käsitys ajasta perustui Isaac Newtonin yli kaksi sataa vuotta aikaisemmin julkaisemaan absoluuttisen ajan ja avaruuden teoriaan, josta hän kirjoitti kirjassaan Luonnonfilosofian matemaattiset perusteet näin: Aika on absoluuttinen, tosi ja matemaattinen ja oman luonteensa mukaisesti kuluu tasaisesti riippumatta mistään ulkoisesta. Newtonin käsitys ajasta oli siis hyvin yksinkertainen ja helposti samaistuttavissa. Jos tuijotan digitaalista kelloa sen jokainen sekunti etenee täsmälleen samaa vauhtia. Vaikka Newtonin näkökulma olikin siis empiirisesti helposti todennettavissa, tieteen kehittyessä se alkoi käydä riittämättömäksi. Se kun ei pystynyt selittämään enää kaikkia vastaan tulevia ilmiöitä. Toisin kuin Isaac Newton, Albert Einstein ei siten uskonutkaan että aika ja avaruus olisivat toisistaan riippumattomia objektiivisen todellisuuden aspekteja. Ne eivät siis olisi absoluuttisia, vaan aina suhteessa toisiinsa ja niiden havaitsijaan. Näin sai alkunsa Einsteinin suhteellisuusteoria, jota pidetään vielä tänäkin päivänä yleisesti pätevimpänä selityksenä ajan ja avaruuden suhteesta.

Einsteinin suhteellisuusteoria lähtee ajatuksesta, jonka mukaan aika ja avaruus ovat aina linkittyneinä toisiinsa. Mikään ei voi liikkua avaruudessa liikkumatta samalla myöskin ajassa. Ja aika muuttuu jokaisen liikkujan kohdalla. Tästä ajatuksesta on saanut alkunsa sananlasku: juokseva kello liikkuu hitaammin. Yksinkertaistettuna: Jos sinulla on kaksi samassa tahdissa liikkuvaa kelloa ja otat toisen ja heität sen ikkunasta, ikkunasta heitetty on tämän jälkeen hieman jäljessä (olettaen että se vielä toimii). Älä kuitenkaan vielä mene nakkaamaan kelloasi, sillä erotus on niin mitätön, ettei sitä voi silmällä havaita. Aikadilaation havaitsemiseksi nopeuden täytyy kasvaa lähelle valonnopeutta. Vaikka ajatus kuulostaa absurdilta on aikadilaatio tieteellisesti todistettu kiihdyttämällä hiukkaskiihdyttimellä alkeishiukkasia (kuten mesoneita ja myoneita) mahdollisimman lähelle valonnopeutta. Näillä kokeilla on huomattu, että mitä kovempaan vauhtiin hiukkaset kiihdytetään, sitä pidempään kestää ennen kuin ne hajoavat. Jos hajoamista käytetään siis hiukkasen sisäisenä kellona, liikkuu se valonnopeutta lähenevässä vauhdissa paikoillaan olevan hiukkasen sisäistä kelloa hitaammin. Jos tällainen hiukkanen pystyisi siis havainnoimaan aikaa, kokisi se liikkuneensa ajassa tulevaisuuteen.

Tämä muodostaa väkisinkin mielenkiintoisen ajatuksen koskien ihmiskunnan mahdollisuutta asuttaa muita tähtiä tai galakseja. Kun aikasemmin kirjoitin siitä, että tähtienvälinen matkailu vaatisi ihmiskuntaa luomaan laitteita, jotka pystyvät kulkemaan vähintään 10 prosenttista valonnopeutta, tarkoittaisi se myös sitä, että tulevaisuuden avaruusmatkailijat olisivat samalla myös aikamatkailijoita. Emme siis lähettäisi ihmisiä pelkästään avaruuteen vaan lähettäisimme heitä samalla tulevaisuuteen. Erotus ei tosin noilla nopeuksilla olisi kovinkaan kummoinen, mutta mitä lähemmäksi valonnopeutta päästään, sitä suurempi ero myös ajassa on.

Nopeus ei ole kuitenkaan ainoa asia joka voi muuttaa kahden erillisen havaitsijan suhdetta aikaan. Kun puhuin aiemmin niistä asioista mitä Newtonin teoriat eivät pystyneet enää selittämään, on yksi sellainen valonsäteiden taipuminen massiivisten kappaleiden ympärillä. Muunmuassa tämän ilmiön selittämiseksi Einstein tuli tulokseen, että myös painovoiman on vaikutettava aika-avaruuteen. Tämä on myös lähtökohta johon aiemmin mainitsemani Interstellar elokuva perustaa aikamatkailun. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoima taivuttaa aika-avaruus -akselia, joka johtaa teoriassa siihen, että aika liikkuu hitaammin mitä voimakkaampi painovoima siihen kohdistuu. Painovoimaan perustuvasta aikadilaatiosta johtuen esimerkiksi maata kiertävien satelliittien kelloja täytyy jatkuvasti korjata, jotta GPS -satelliitit voivat tuottaa ajankohtaista informaatiota maan päälle, jossa painovoima on vahvempi. Koska maan painovoima on kuitenkin niin pieni, puhutaan tuossa korjauksessa nanosekunteista.

Jos kuitenkin ajatellaan, että maailmankaikkeudessa on arvioitu olevan objekteja, joiden massa on jopa 20 miljardia kertaa aurinkoamme suurempi, voimme kuvitella miten merkittävästä aikadilaatiosta puhutaan mitä lähemmäksi tuollaisen objektin painovoimaa saavutaan. Aikamatkailussa on kuitenkin syytä muistaa, että vaikka kahden erillisen havaitsijan välinen aika voi muuttua, kokee havaitsija oman aikansa muuttumattomana. Eli ihminen ei siis voisi muuttaa asumaan jonkun massiivisen painovoiman lähipiiriin ja elää ikuisesti, aika vaan muuttuisi suhteessa maahan. Eli maassa aika kuluisi merkittävästi nopeammin, mutta suuremman painovoiman alaisuudessa elävä ihminen eläisi oman havainnointinsa mukaisesti silti vain noin 70-100 vuotta. Kyse on siis edelleen aikamatkustamisesta tulevaisuuteen.

Jos tulevaisuuteen matkustaminen olisi siis ainakin teoriassa mahdollista, niin entäs menneisyyteen sitten? On ajateltu, että menneisyyteen matkustaminen vaatisi valoa suurempien nopeuksien saavuttamista. Asiaa voidaan havainnollistaa esimerkillä: Jos ihminen matkustaa valoa nopeammin, ei hän pystyisi havainnoimaan itseään. Hän siis voisi periaatteessa katsoa itseään selkään tai tarpeeksi suurilla nopeuksilla liikuttuaan menneisyyteen olla vaikka oma isänsä. Koska fyysikot uskovat, että valonnopeus on maailmankaikkeuden luoma rajoitin luomasta menneisyyteen johtavan aikamatkailun mahdollistamaa paradoksia, ei sitä voi mitenkään ylittää. Sen ylittäminen edellyttäisi negatiivisen massan käyttämistä, josta esimerkiksi Meksikolainen fyysikko Miguel Alcubierre loi tieteiselokuvissakin tutuksi tulleen poimuajon teorian.

Star Trek -fanien harmiksi poimuajamiselle ei ainakaan vielä ole keksitty aukotonta teoriaa, tosin tuskinpa Newtonkaan ajatteli että edes tulevaisuuteen voisi matkustaa. Voihan hyvinkin olla, että jatkuvasti kehittyvä painovoiman ja kvanttifysiikan yhdistävä kvanttigravitaatio voisi löytää vastauksia näihin kysymyksiin. Ihan samalla tavalla kuin Einstein lähti etsimään vastauksia niihin kysymyksiin joihin Newtonin teoriat eivät enää yltäneet. Olipa asianlaita niin tai näin niin minä ainakin matkustan nyt vain yhteen suuntaan ja se on jääkaapille. Jos alkaa liikaa ajatella, tuppaa yleensä tulemaan nälkä. Kutsutaan sitä nyt vaikka sitten Tanelin ensimmäiseksi laiksi.

"Ticking away the moments that make up a dull day."
Pink Floyd - Time (The Dark Side of the Moon 1973)