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)

Onko maapallon ulkopuolella elämää?

Galaxy at winter - Victor U (CC BY 2.0)

Tutkijat ja filosofit ovat pohtineet kysymystä maapallon ulkopuolisesta elämästä ainakin siitä lähtien, kun käsite maapallosta osana avaruutta on ollut olemassa. Tänä päivänä kysymykseen on kuitenkin hyvin helppo ja yksinkertainen vastaus: Kyllä on. Maapallon ulkopuolella on ainakin kuusi kappaletta elämää: Joe Acaba, Alexander Misurkin, Mark Vande Hei, Sergey Ryazanskiy, Randy Bresnik ja Paolo Nespoli. Kyseessä on siis kansainvälisen avaruusaseman tämänhetkinen miehistö. Puhtaasti semantiikkaan perustuen kysymys maapallon ulkopuolisesta elämästä olisi siis kompa. Voisinkin lopettaa blogikirjoitukseni tähän ja olla pohtimatta asiaa sen enempää. Se taitaisi kuitenkin olla aikamoinen antikliimaksi ja tehdä tehokkaasti harvennusta lukijakuntaani. Muuttakaamme siis kysymystä hiukan: Onko Aurinkokuntamme ulkopuolella elämää?

Avaruus on kiehtonut minua aina. Sen olemassaolon silkka massiivisuus, täysin mielen rajat ylittävät mysteerit ja lukemattomat paradoksit tekevät siitä kokonaisuuden, josta ajattelemisen aiheet eivät  ainakaan lopu kesken. Jos avaruus laajenee jatkuvasti vähintäänkin valonnopeudella, niin mihin se oikein laajenee? Mitä on siellä, missä ei ole vielä avaruutta? Ja jos mikään ei voi liikkua tyhjiössä valoa nopeammin, niin miten nopeasti avaruus laajenee, jos se laajenee vähintäänkin valonnopeudella yhtä aikaa jokaiseen suuntaan? Ja jos valonnopeudella liikkuminen muuttaa ajan kulkua aikadilaatiosta johtuen, mihin suuntaan ajassa maailmankaikkeus laajenee? Myönnettäköön, että viimeisin kysymyksistä oli lähinnä sanaleikki, sillä aika vaatii aina sitä tulkitsevan subjektin, eikä meillä subjekteina ole mielekkäästi ajateltavana kuin yksi suunta ajan havainnoimiseksi. Yksi kiehtovimmista kysymyksistä on kuitenkin se, onko avaruudessa muuta elämää kuin me.

Jos aloitamme tarkastelun Draken kaavana tunnetusta yhtälöstä, pitäisi universumissa olla lukematon määrä erilaisia elämänmuotoja. Pelkästään omalla Linnunradan galaksillamme on arvioitu olevan yli 100 miljardia tähteä ja yli 60 miljardia eksoplaneettaa, joilla elämän syntyminen saattaisi olla mahdollista. Avaruuden mittasuhteisiin verrattuna varsin alkeellisella teknologiallamme olemme onnistuneet paikantamaan tällaisia planeettoja jo yli 3500. SETI-instituutin yli 40 vuotta kestäneestä kaikenlaisten aaltojen ja signaalien etsimisestä huolimatta, ei universumista ole löytynyt lisäksemme jälkeäkään älyllisestä elämästä. Missä kaikki muut siis oikein ovat? Tätä kysymystä pohti muunmuassa myös fysiikan Nobelilla palkittu italialainen tiedemies Enrico Fermi. Tästä kysymyksestä sai alkunsa Fermin paradoksi.

Fermin paradoksin ideana on se, että jos kaikkien tilastollisten tietojen valossa universumissa pitäisi olla lukematon määrä elämää, myös meitä älyllisempää, niin miksi sitä ei ole koskaan havaittu? Fermi perustaa ajatuksensa teknologian ja kehityksen vääjäämättömään etenemiseen, jonka mukaan älyllinen elämä pystyisi kansoittamaan kokonaisen galaksin vain kymmenissä miljoonissa vuosissa. Jos mietitään tilannetta ihmiskunnan näkökulmasta, olemme jo nyt pystyneet luomaan objekin, joka voi liikkua avaruuden tyhjiössä painovoiman avustamana yli 265 000 kilometrin tuntinopeutta. Se on vielä erittäin kaukana valon nopeudesta, johtuen rakettimoottoreiden rajoituksista. On kuitenkin arvioitu, että fission ja fuusion reaktiota hyödyntävä alus voisi saavuttaa jopa 10% valon nopeudesta, eli noin 29 000 kilometrin sekuntivauhdin. Tällaisella nopeudella voisimme kansoittaa kaikki lähimmät tähdet muutamassa sadassa vuodessa. Jos ajatellaan, että noilta tähdiltä lähetettäisiin uusia aluksia yhä seuraaville tähdille prosessin aina toistaen, saisimme kansoitettua koko galaksimme vain kymmenissä miljoonissa vuosissa. Yli 13 miljardia vuotta vanhan universumin mittakaavassa se on erittäin lyhyt aika.

Tässä vaiheessa herää tietysti kysymys, mitä tapahtuu ihmiselle liikkuessaan noin hurjaa vauhtia? Ensimmäisenä tulee mieleen G-voimien (yksi G-voima tarkoittaa Maan painovoiman tuottamaa putoamiskiihtyvyyttä maanpinnan läheisyydessä) vaikutus. Jos ihmisellä on hankalaa olla jo yli äänennopeutta kulkevassa lentokoneessa, niin eihän meillä voi olla mitään mahdollisuutta selvitä hengissä miljoonakertaisista nopeuksista? Asia ei kuitenkaan ole aivan noin yksiselitteinen. G-voimien aiheuttama paine johtuu pääasiassa kiihdytysnopeudesta ja havaittavista objekteista. Avaruudessa yli 26 000 kilometrin tuntivauhdissa astronautit eivät enää edes tunne liikkuvansa. Tämän perusteella ollaankin arvioitu, ettei ihmisen sietokyvyllä avaruudessa ole nopeuden suhteen sinänsä oikeastaan rajoituksia, kunhan kiihdytys on jatkuvaa ja tasaista.

Yli tuhansien kilometrien sekuntinopeudella kulkeminen vaatisi tietysti kehittyneiden reaktoreiden lisäksi erittäin tehokkaita suojakeinoja avaruudessa leijailevilta hiukkasilta ja säteilyltä. Yksi tällainen vaihtoehto voisi olla esimerkiksi elektromagneettisten kilpien käyttäminen. Jos nyt kuitenkin kuvitellaan tämän blogitekstin etenemisen kannalta, että teknologia löytää kyllä keinot kunhan aikaa kuluu vaan tarpeeksi, niin miksi älyllistä elämää ei sitten ole vielä havaittu?

Tunnetuin Fermin paradoksia selittämään pyrkivistä teorioista on suuren filtterin teoria. Suuren filtterin teorian ideana on se, että älykkään elämän este galaksien kansoittamiseen on jossain evoluution vaiheessa vastaan tuleva seinä, jonka läpäiseminen on äärimmäisen epätodennäköistä. Ihmiskunnan kohtalon kannalta keskeisintä on se, onko tämä suuri seinä edessä vai takanapäin.

Yksi teorioista on se, että pelkästään elämän syntyminen on itsessään erittäin epätodennäköistä. Huolimatta ihmisten lukuisista yrityksistä ja kokeista, näistä epäilemättä tunnetuimpana Stanley Millerin ja Harold Clayton Ureyn alkuliemi -koe, ihminen ei ole vielä onnistunut luomaan elämää jäljittelemällä miljardien vuosien takaisia olosuhteita, joissa elämä tieteen teorioiden mukaansa sai maapallolla alkunsa. Tämä on ollut varsinkin uskontojen riemuvoitto, sillä lähes poikkeuksetta uskonnolliset mytologiat perustavat niin maailman kuin elämänkin syntymisen jumalaan kaiken luojana.

Toinen teorioista on puolestaan se, että ihminen on ensimmäinen monista älykkäistä elämänmuodoista, joka pystyy tarkkailemaan ja havainnoimaan avaruutta ympärillämme. Tämän teorian ongelmana on se, että maapallo on universumin mittasuhteissa varsin nuori planeetta. Jos elämän muodostuminen ei itsessään siis ole se suuri filtteri, niin miksei paljon maapalloa vanhemmilla eksoplaneetoilla ole kehittynyt galaksien kansoittamiseen pystyvää älyllistä elämää? Yhden selityksen mukaan universumin olosuhteet ovat vasta maapallon elinaikana olleet, esimerkiksi universumia alkuaikoina ravistelleista voimakkaista gammapurkauksista johtuen, elämän syntymiselle soveltuvat. Tämän teorian mukaan olisimme siis yksi ensimmäisistä avaruusmatkailuun kykenevistä älyllisistä elämänmuodoista, mutta muita tulisi pian perässä.

Kolmas ja toiseen teoriaan vahvasti linkittyvä teoria on se, että evoluutiomme pysäyttävä suuri filtteri olisi vasta edessäpäin. Se selittäisi myös sen, miksemme havaitse maailmankaikkeudessa muuta elämää, vaikka tieteeseen ja tilastoihin pohjautuvan teorian mukaan sellaista pitäisi olla olemassa. Tämän teorian ideana on se, että älyllinen elämä pystyy kyllä kehittymään ihmisen tasolle, mutta ennen galaksin kansoittamista se jostain syystä tuhoutuu. Tästä samaisesta syystä elämän löytäminen avaruudesta olisi ihmiskunnan tulevaisuuden kannalta äärimmäisen pelottavaa. Se kun todistaisi, että elämän muodostuminen ei voi olla se suuri filtteri ja tekisi paljon todennäköisemmäksi sen olevan meilläkin vasta edessäpäin.

Sivilisaatiomme mahdollisen tuhoutumisen syynä voidaan pitää esimerkiksi älyllisen elämän kykenemättömyyttä hallita avaruusmatkailuun vaadittavaa teknologiaa. Teknologian kehitys itsessään on vääjäämätöntä, mutta suurin riski ihmiskunnalle on itsensä tuhoaminen ennen kyseisen teknologian saavuttamista. Samalla kun valmistelemme ensimmäisten ihmisten lähettämistä Marsiin, olemme kykeneet luomaan teknologian jolla voidaan tuhota kokonaisia valtioita. 

Teorioita Fermin paradoksin selittämiselle on edellä mainittujen lisäksi lukemattomia. Mitä jos älyllistä elämää on jo olemassa, mutta sen teknologia on niin kehittynyttä, ettemme vain voi alkeellisilla työkaluillamme havaita sitä millään tavalla? Jos ajatellaan ihmisen kehitystä tuhannen vuoden aikana, niin sen aikaiselle ihmiselle nykyinen teknologiamme vaikuttaisi varmasti taikuudelle. Jos taas ajatellaan ihmiskuntaa tuhannen vuoden päästä, on sillä käytössään meidän aikaamme verrattuna aivan ylivertaista teknologiaa. Miten paljon voisimmekaan siis kuvitella ymmärtävämme jopa miljoonia vuosia kehittyneemmästä teknologiasta? Ehkä avaruus siis onkin täynnä älyllistä elämää, joka kommunikoi keskenään jatkuvasti. Samalla tavalla kun radiopuhelimella ei voi napata tekstiviestejä, ei meidänkään käytössämme oleva teknologia todennäköisesti voisi havaita älyllisempien elämänmuotojen tekemää viestintää.

Koska näin science fiction -intoilijana Aurinkokuntamme ulkopuolella sijaitsevasta älyllisestä elämästä kirjoittaminen ilman kunnollista maailmanlopun skenaariota tuntuu tylsältä, täytyy vielä ottaa käsittelyyn se pelottavin vaihtoehto: Mitä jos maailmankaikkeudessa on jo yksi älyllinen ja niin kehittynyt elämänmuoto - Apex Predator, että se pystyy tuhoamaan kaikki muut elämänmuodot ennen kuin ne saavuttavat tähtien välisen matkailun? Tästä näkökulmasta ajateltuna voidaan miettiä ihmiskunnan toimien järkevyyttä: Onkohan meidän ihan kauhean fiksua lähettää sokkona signaalia avaruuteen: Hei, täällä me nyt ollaan? Tuota kysymystä on tajuttu miettiä lopultakin myös SETI:n puolella, koska nykyisin se keskittyy vain tarkkailemaan avaruutta sinne lähetettävien signaalien sijasta.

Olipa asianlaita niin tai näin, on yksi asia varmaa: Kysymys Aurinkokuntamme ulkopuolisesta, älyllisestä elämästä on vastauksesta huolimatta siinä mielessä erikoinen, että kumpikin mahdollisista vaihtoehdoista tuntuu yhtälailla omituiselta.

"I feel like they're talking in a language I don't speak."
Coldplay - Talk (X & Y 2005)