”Jos joku tekisi tutkimusapurahahakemuksen aikamatkustuksen parissa työskentelystä, se hylättäisiin välittömästi”, kirjoittaa fyysikko Stephen Hawking postuumisti ilmestyneessä kirjassaan Lyhyitä vastauksia suuriin kysymyksiin. Hän oli oikeassa. Mutta hän oli myös oikeassa siinä, että kysymys siitä, onko aikamatkailu mahdollista, on ”hyvin vakava kysymys”, jota voidaan vielä lähestyä tieteellisesti.

Väittäen, että nykyinen ymmärryksemme ei voi sulkea aikamatkailua pois, Hawking oli ilmeisesti varovaisen optimistinen. Mihin tämä jättää meidät? Emme voi rakentaa aikakonetta tänään, mutta voisimmeko tulevaisuudessa?

Aloitetaanpa jokapäiväisestä kokemuksestamme. Pidämme itsestäänselvyytenä sitä, että voimme soittaa ystävillemme ja sukulaisillemme missä päin maailmaa tahansa saadaksemme selville, mitä he puuhaavat juuri nyt. Mutta tämä on jotain, mitä emme voi koskaan todella tietää. Heidän äänensä ja kuvansa kulkevat signaalit kulkevat käsittämättömän nopeasti, mutta vie silti rajallisen ajan, ennen kuin signaalit saavuttavat meidät.

Kyvyttömyytemme päästä käsiksi jonkun kaukana olevan ihmisen ”nyt”-hetkeen on Albert Einsteinin avaruus- ja aikateorioiden ytimessä.

Valonnopeus

Einstein kertoi meille, että avaruus ja aika ovat yhden ja saman olion – tila-ajan – osia, ja että meidän pitäisi ajatella ajallisia etäisyyksien etäisyyksiä aivan yhtä halukkaita ajattelemaan, kuin mitä ajatellaan avaruudellisia. Niin oudolta kuin tämä saattaakin kuulostaa, vastaamme mielellämme ”noin kaksi ja puoli tuntia”, kun joku kysyy, kuinka kaukana Birmingham on Lontoosta. Tarkoitamme, että matka kestää niin kauan keskinopeudella 50 mailia tunnissa.

Matemaattisesti lausumamme vastaa sitä, että Birmingham on noin 125 mailin päässä Lontoosta. Kuten fyysikot Brian Cox ja Jeff Forshaw kirjoittavat kirjassaan Why does E=mc²?, aika ja etäisyys ”voidaan vaihtaa keskenään käyttämällä jotain, jolla on nopeuden valuutta”. Einsteinin älyllinen harppaus oli olettaa, että ajan ja etäisyyden välinen vaihtokurssi avaruusajassa on universaali – ja se on valon nopeus.

Valon nopeus on nopein signaali, jonka mikä tahansa signaali voi kulkea, mikä asettaa perustavanlaatuisen rajan sille, kuinka nopeasti voimme tietää, mitä muualla maailmankaikkeudessa tapahtuu. Tämä antaa meille ”kausaalisuuden” – lain, jonka mukaan vaikutusten on aina tultava syidensä jälkeen. Se on vakava teoreettinen piikki ajassa matkustavien päähenkilöiden tiellä. Se, että minä matkustan ajassa taaksepäin ja panen liikkeelle tapahtumia, jotka estävät syntymäni, merkitsee sitä, että vaikutus (minä) on ennen syytä (syntymääni).

Nyt jos valon nopeus on universaali, meidän on mitattava sen olevan sama – 299 792 458 metriä sekunnissa tyhjiössä – riippumatta siitä, kuinka nopeasti me itse liikumme. Einstein tajusi, että siitä, että valonnopeus on absoluuttinen, seuraa, että itse avaruus ja aika eivät voi olla absoluuttisia. Ja käy ilmi, että liikkuvien kellojen on tikittävä hitaammin kuin paikallaan olevien.

Mitä nopeammin liikut, sitä hitaammin kellosi tikittää suhteessa niihin, joiden ohi liikut. Sana ”suhteellinen” on avainasemassa: aika näyttää sinusta kuluvan normaalisti. Kaikkien paikallaan seisovien mielestä olet kuitenkin hidastetussa liikkeessä. Jos liikkuisit valonnopeudella, tuntuisit jähmettyneeltä ajassa – sinun kannaltasi kaikki muut kulkevat eteenpäin.

Entä jos matkustaisimme valoa nopeammin, kulkisiko aika taaksepäin, kuten tieteiskirjallisuus on opettanut meille?

Valitettavasti ihmisen kiihdyttämiseen valonnopeuteen, saati sitten valonnopeuden ylittämiseen, tarvitaan ääretöntä energiaa. Mutta vaikka voisimme, aika ei yksinkertaisesti juoksisi taaksepäin. Sen sijaan ei olisi enää järkevää puhua eteenpäin ja taaksepäin ollenkaan. Kausaalisuuden lakia rikottaisiin, ja syyn ja seurauksen käsite menettäisi merkityksensä.

Madonreiät

Einstein kertoi meille myös, että gravitaatiovoima on seurausta siitä, miten massa vääristää tilaa ja aikaa. Mitä enemmän massaa puristamme avaruuden alueelle, sitä enemmän avaruusaika vääntyy ja sitä hitaammin läheiset kellot tikittävät. Jos sinne puristetaan tarpeeksi massaa, avaruusaika vääristyy niin paljon, ettei edes valo pääse pakenemaan sen vetovoimaa, ja syntyy musta aukko. Ja jos lähestyisit mustan aukon reunaa – sen tapahtumahorisonttia – kellosi tikittäisi äärettömän hitaasti suhteessa kaukana siitä oleviin kelloihin.

Voisimmeko siis vääristää avaruusaikaa juuri oikealla tavalla sulkeaksemme sen takaisin itseensä ja matkustaaksemme ajassa taaksepäin?

Vastaus on ”ehkä”, ja tarvitsemamme vääristymä on kulkukelpoinen madonreikä. Mutta meidän on myös tuotettava negatiivisen energiatiheyden alueita sen vakauttamiseksi, ja 1800-luvun klassinen fysiikka estää tämän. Nykyaikainen kvanttimekaniikan teoria ei ehkä kuitenkaan.

Kvanttimekaniikan mukaan tyhjä tila ei ole tyhjä. Sen sijaan se on täynnä hiukkaspareja, jotka ponnahtelevat sisään ja ulos. Jos pystymme luomaan alueen, jossa vähemmän pareja pääsee ponnahtamaan sisään ja ulos kuin kaikkialla muualla, niin tällä alueella on negatiivinen energiatiheys.

Mutta yhdenmukaisen teorian löytäminen, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja Einsteinin painovoimateorian, on edelleen yksi teoreettisen fysiikan suurimmista haasteista. Yksi ehdokas, säieteoria (tarkemmin sanottuna M-teoria) saattaa tarjota toisen mahdollisuuden.

M-teoria edellyttää, että avaruusajalla on 11 ulottuvuutta: yksi aika- ja kolme avaruusulottuvuutta, joissa me liikumme, ja seitsemän muuta, näkymättömän pieneksi käpertynyttä. Voisimmeko käyttää näitä ylimääräisiä avaruusulottuvuuksia lyhentääksemme tilaa ja aikaa? Ainakin Hawking oli toiveikas.

Historian pelastaminen

Onko aikamatkailu siis todella mahdollista? Nykyinen ymmärryksemme ei voi sulkea sitä pois, mutta vastaus on luultavasti ei.

Einsteinin teoriat eivät pysty kuvaamaan avaruusajan rakennetta uskomattoman pienillä mittakaavoilla. Ja vaikka luonnonlait voivat usein olla täysin ristiriidassa jokapäiväisen kokemuksemme kanssa, ne ovat aina itseään johdonmukaisia – jättäen vain vähän tilaa paradokseille, joita riittää, kun sekoilemme syyn ja seurauksen kanssa tieteiskirjallisuuden aikamatkailussa.

Leikkisästä optimismistaan huolimatta Hawking tunnusti, että vielä löytämättömät fysiikan lait, jotka jonain päivänä syrjäyttävät Einsteinin lainalaisuudet, saattavat salaliittoutua niin, että ne estävät kaltaisiamme isoja objekteja hyppimästä sattumanvaraisesti (ei kausaalisesti) ajassa edestakaisin. Kutsumme tätä perintöä hänen ”kronologian suojausolettamuksekseen”.

Kutsuipa tulevaisuus sitten aikakoneita tai ei, voimme lohduttautua sillä tiedolla, että kun kiipeämme vuorelle tai kiihdytämme autollamme, muutamme sitä, miten aika tikittää.

Tänä ”teeskentele olevasi aikamatkustaja -päivänä” (8. joulukuuta) muistakaa siis, että olette jo aikamatkustajina, mutta ette ehkä toivomallanne tavalla.