Yhdysvaltalaisfyysikko aikoo luoda spiraalin nykyisyyden ja menneisyyden välille

Näin Ronald Mallett kertoo kirjassaan ”Time Traveler” siitä käänteentekevästä päivästä, jona hän ensimmäistä kertaa julkisti muille teoreettisille fyysikoille omakseen tuntemiaan ajatuksia ja teorioita.

Howardin yliopiston 25. kesäkuuta 2002 järjestämässä seminaarissa Mallett esitti ratkaisunsa useisiin niin sanottuihin kenttäyhtälöihin, jotka ovat keskeisessä asemassa Einsteinin suhteellisuusteorioissa.

Sen lisäksi hän totesi, että ratkaisut osoittivat aikakoneen mahdolliseksi – eikä ainoastaan teoriassa, vaan myös käytännössä sen tekniikan myötä, joka saadaan käyttöön tällä vuosisadalla.

Mallettin idea perustuu tiettyihin valon ominaisuuksiin, jotka suhteellisuusteoria on tuonut esiin.

Panemalla valo kiertämään ympyrää on Mallettin mukaan mahdollista kaareuttaa aika-avaruutta ja luoda umpinaisia aikakehiä, joissa voidaan poistua nykyisyydestä ja siirtyä menneisyyteen.

Siten Mallett on saattanut ratkaista ongelman, jonka kimpussa hän on painiskellut siitä asti, kun hän menetti traagisesti isänsä kymmenvuotiaana.

Nyt, 65 vuotta myöhemmin, hän on valmis rakentamaan ensimmäisen koemallin, jonka tarkoituksena on esitellä hänen aikakoneensa toimintaperiaate.

Kone pystyy kukistamaan kuoleman

Ronald oli juuri nukahtanut, kun hänen isänsä kuoli sydänkohtaukseen. Takana oli pitkä päivä, ja vanhemmat olivat kestinneet vieraita sen johdosta, että toukokuun 22. päivä 1955 oli heidän 11. hääpäivänsä.

Siitä eteenpäin päivämäärällä oli Ronaldille aivan toinen merkitys.

Vanhimpana lapsena hän ihaili isäänsä ja piti tätä sekä idolinaan että roolimallinaan, ja isän menettäminen niin nuorella iällä tuntui hänestä tuskalliselta: ”Isäni kuolema merkitsi minulle maailmanloppua. Olin palasina. Hänen hautajaistensa jälkeen oli samantekevää, elänkö vai kuolenko.”

Kiinnostus tekniikkaan ja opiskeluun auttoi Mallettia jatkamaan elämäänsä. Vuoden kuluttua isän kuolemasta eräs julkaisu avasi hänen silmänsä näkemään elämäntehtävän.

Kioskissa oli myynnissä sarjakuvakirja, jonka kannessa luki ”Aikakone”. Kyse oli H. G. Wellsin tieteisromaanin populaariversio.

Mallett selaili kirjaa ja luki sen alusta, että tutkijat tietävät ajan olevan vain eräänlaista avaruutta ja että ajassa on mahdollista liikkua edestakaisin samalla tavalla kuin avaruudessa.

Virkkeet syöpyivät nuoren Mallettin mieleen, ja hän oivalsi heti mahdollisuudet. Jos hän onnistuisi rakentamaan aikakoneen, hän voisi matkustaa ajassa taaksepäin ja tavata taas isänsä.

Melko nopeasti hän ymmärsi, että hän voi toteuttaa haaveensa vain fyysikkona.

Mustat aukot saavat ajan pysähtymään

Mallett alkoi opiskella fysiikkaa vuonna 1968 ja perehtyi syvällisemmin Einsteinin teorioihin ja niiden merkitykseen aikamatkustukselle.

Erityinen eli suppea suhteellisuusteoria, jonka Einstein julkaisi vuonna 1905, avaa mahdollisuuden matkustaa tulevaisuuteen.

Teorian mukaan aika kulkee hitaammin liikkuvalla kappaleella ja hidastuminen voimistuu sitä mukaa kuin nopeus suurenee.

Henkilö, joka käy 25 valovuoden päässä Maasta sijaitsevassa tähdessä lähes valonnopeudella, kokee, että edestakainen matka kestää kymmenen vuotta.

Kun hän palaa kotiin, Maassa on kulunut kuitenkin 50 vuotta, joten hänen näkökulmastaan tarkasteltuna hän on matkustanut 40 vuotta tulevaisuuteen.

Teorian kuvaama aikavenymä, joka on sittemmin todistettu kokeellisesti, kiehtoi nuorta fysiikanopiskelijaa, mutta ikävä kyllä se mahdollisti vain aikamatkat tulevaisuuteen.

Haaveillessaan tilaisuudesta päästä näkemään isänsä Mallett pani toivonsa yleiseen suhteellisuusteoriaan, jonka Einstein julkisti vuonna 1915.

Sen mukaan painovoima ei ole voima, joka kulkee avaruuden läpi, vaan voima, joka muovaa avaruutta.

Massallinen kappale kaareuttaa ympäröivää avaruutta, ja kaareutuminen vaikuttaa siihen, kuinka muut kappaleet liikkuvat. Kaareutuminen voimistuu sitä mukaa kuin massa kasvaa.

Mallett piti erityisen kiinnostavana sitä, että yleisessä suhteellisuusteoriassa aika on ulottuvuus kolmen tilaulottuvuuden rinnalla.

Se tarkoitti, että avaruuden massa vaikuttaa myös aikaan, ja siinä tapauksessa, että massa on riittävän suuri, sillä on rajut seuraukset ajalle.

Asian laita on näin esimerkiksi lähellä mustia aukkoja, joissa hyvin suuri massa on keskittynyt häviävän pienelle alueelle. Mustan aukon tapahtumahorisontiksi kutsutussa rajapinnassa aika pysähtyy täysin.

Einsteinin esitettyä yleisen suhteellisuusteoriansa fyysikot ovat pohtineet, mitä se tarkoittaa aikakäsitykselle. Osa uskoo, että mustat aukot voivat yhdistyä niin, että aika-avaruuteen syntyy oikotie, madonreikä.

Matka madonreiän kautta ei ainoastaan vie toisaalle maailmankaikkeudessa, vaan se myös johtaa toiseen aikaan – joko menneeseen tai tulevaan suhteessa nykyisyyteen, josta lähdetään liikkeelle.

Yhdysvaltalaisen fyysikon Kip Thornen mukaan madonreikä on periaatteessa rakennettavissa niin, että ihminen voi kulkea sen läpi, mutta tunneli vaatii erikoista painovoimaa vastaan vaikuttavaa ainetta, josta ei ole vielä tietoakaan.

Einsteinin aika-avaruus haastaa myös arkikäsityksen ajasta objektiivisena suureena, jossa menneisyyden erottaa tulevaisuudesta yleispätevästi nykyhetki.

Einsteinin maailmankuvasta juontuvassa niin sanotussa lohkaremaailmankaikkeudessa ei ole yleispätevää nykyhetkeä eikä siten menneen ja tulevan eroa.

Kaikki ajankohdat ovat olemassa tasaveroisina – on kysymys vain siitä, missä kohtaa aika-avaruutta ollaan.

Niinpä on ainakin teoriassa mahdollista siirtyä ajankohdasta toiseen samalla tavalla kuin on mahdollista siirtyä maantieteellisesti paikasta toiseen.

Einsteinin teorioihin perehtyminen vakuutti Mallettin siitä, ettei lapsuuden haave ollut ihan pöhkö ajatus.

Menneisyys oli yhä ulottuvilla. Siitä ei sen sijaan ollut epäilystäkään, että sen tavoitteleminen julkisesti saisi ihmiset pitämään häntä pähkähulluna.

Kuuntele Mallettia, joka kertoo elämästään

##

Väitöskirjatutkimuksessaan Mallett selvitti ajan käyttäytymistä laajenevassa maailmankaikkeudessa, ja hän uskalsi paljastaa salaisimmat ajatuksensa vasta paljon myöhemmin.

Kiertävä valo vie menneisyyteen

Aikakoneen idea juolahti mieleen tilanteessa, jossa Mallett osasi vähiten odottaa sitä. Rintakipu oli pakottanut hänet sairauslomalle vuoden 1999 alussa, ja pelko kuolemisesta sydänkohtaukseen masensi häntä.

Kuitenkin eräänä aamuna, kun hän tepsutteli aamutakissa ja tohveleissa kotitoimistoonsa, motivaatio yllättäen palasi.

Mallett alkoi käydä läpi aikamatkustamisen teorioita ja täydensi niitä omalla mustia aukkoja koskevalla tutkimuksellaan, jota hän oli tehnyt suurimman osan ajasta toimiessaan Connecticutin yliopiston professorina.

Valtosa fyysikoista tukee oletusta, että kaikki mustat aukot ovat pyörimisliikkeessä. Mustan aukon keskipisteen läheisyydessä pyöriminen on niin nopeaa, että teorian mukaan voi syntyä umpinaisia aikakehiä eli alue, jossa aika kirjaimellisesti kiertää ympyrää.

Kierros umpinaisessa aikakehässä johtaa vuorotellen menneisyydestä nykyisyyteen, joten menneet tapahtumat toistuvat kerta toisensa jälkeen.

Umpinainen aikakehä johtuu niin sanotusta frame dragging- eli gravitomagnetismiilmiöstä, joka on ennustettu yleisen suhteellisuusteorian kenttäyhtälöissä.

lmiötä esiintyy kaikkien niiden massallisten kappaleiden ympärillä, jotka ovat pyörimisliikkeessä. Pyörivä kappale kaareuttaa ympäröivää aika-avaruutta vetämällä sitä mukaansa, ja sekä avaruus että aika vääristyvät.

Näin tapahtuu myös maapallon ympärillä, mutta tässä tapauksessa ilmiö on niin heikko, että sitä on vaikea mitata.

Mallettin päässä iti ajatus, että ilmiö ei välttämättä vaadi kappaleiden olevan hyvin suurimassaisia ja että se voi olla synnytettävissä myös valolla.

Fotoneiksi kutsutut valohiukkaset ovat massattomia, mutta ne sisältävät energiaa. Ja Einsteinin mukaan massa ja energia ovat saman asian kaksi eri puolta. Se käy ilmi muun muassa hänen kuuluisasta yhtälöstään E = mc2, jossa E on energia, m massa ja c valonnopeus.

Kun tiivistetty valonsäde lähetetään kiertämään rengasta tiettyyn suuntaan, se saattaa kaareuttaa aika-avaruutta ympärillään samalla tavalla kuin pyörivä musta aukko ja saada aikaan umpinaisen aikakehän.

Mallett pohti, kuinka teoria todistetaan käytännössä. Häntä auttoi ratkaisun keksimisessä entisessä työpaikassa hankittu kokemus.

Väiteltyään tohtoriksi Mallett työskenteli pari vuotta United Technologies -yhtiössä ja perehtyi siellä lasertekniikkaan.

Hän tiesi rengaslaseriksi nimitetyn sovelluksen, jossa lasersäde lähetetään puoliläpäisevän peilin läpi ja heijastetaan eteenpäin kolmella muulla peilillä nelikulmiossa.

Tällä keinolla oli ehkä mahdollista osoittaa ilmiö. Kun nelikulmion keskelle asetetaan neutroni, frame dragging voi saada sen kiertämään ympyrää aika-avaruuden pyörittämänä.

Seuraavat pari kolme vuotta Mallett kehitteli ajatusta ja testasi eri keinoja ohjata valoa muun muassa optisten kuitujen ja kiteiden avulla.

Lisäksi hän laajensi teoreettista taustaa vaihtamalla valokehän valosylinteriin. Ja tällöin hän teki lopullisen läpimurron.

Hänen laskelmansa osoittivat, että kun valo pannaan kiertämään sylinteriä, ympäröivä aika-avaruus kaareutuu niin paljon, että syntyy umpinaisia aikakehiä.

Sylinterin pinnalla kulkevat kehät muodostavat spiraalin, joka toimii eräänlaisina ajan kierreportaina.

Aikakoneen rakenne tarkoittaa, että kun siihen mennään yläosasta ja lähdetään kulkemaan spiraalia pitkin eteenpäin, siirrytään ajassa taaksepäin.

Siten on mahdollista päästä tilanteeseen, jossa on vasta menossa aikakoneeseen. Mitä useamman kierroksen spiraalissa tekee, sitä kauemmas menneisyyteen joutuu.

Mallettin ideoita on arvosteltu ankarasti

Mallett päätti Howardin yliopistossa pitämänsä esitelmän diaan, joka oli valokuva vuodelta 1948. Se oli otettu hänen perheestään New Yorkissa retkellä Bronxin puistoon.

Kolmivuotias Ronald seisoo kuvassa penkillä istuvan äitinsä edessä. Isä hymyilee leveästi vieressä aurinkolasit päässään.

Mallett paljasti esitelmänsä lopuksi yleisölleen: ”Minua on innoittanut kaikkeen – matematiikan ja luonnontieteiden opiskeluun, yliopistoon hakemiseen ja fyysikoksi lukemiseen – haave päästä näkemään isä vielä kerran.”

Syntynyt hiljaisuus kesti kauemmin kuin Mallett olisi halunnut. Sitten kuulijat alkoivat taputtaa käsiään ja esittää kysymyksiä ja kommentteja.

Viimeisen puheenvuoron käytti Mallettin idoli, professori Bryce DeWitt: ”En tiedä, saatko koskaan enää tavata isääsi.” DeWitt katsoi Mallettia silmiin ja jatkoi: ”Olen kuitenkin varma siitä, että hän olisi ollut ylpeä sinusta.”

Howardin yliopiston auditoriossa vuonna 2002 saamansa vastaanoton ansiosta Mallett osasi varautua siihen kritiikkiin, jota epäilevät kollegat ovat sittemmin esittäneet hänen ajatuksiaan ja teorioitaan kohtaan.

Yleensä oletusta, että pyörivä valo voi aiheuttaa Mallettin aikakoneessa keskeisen frame dragging -ilmiön, ei kiistetä, mutta sen tuottaminen ja hyödyntäminen ovat toinen juttu.

Vuonna 2004 fyysikot Ken Olum ja Allen Everett tarkastivat Mallettin laskelmat ja selvittivät, millä käytännön edellytyksillä aikakoneen olisi mahdollista toimia.

Tutkijakaksikko päätyi siihen, että umpinaisten aikakehien muodostuminen vaatii halkaisijaltaan näkyvää maailmankaikkeutta suuremman aikakoneen tai mustan aukon energiaa vastaavan energiamäärän syöttämistä aikakoneeseen. Toisin sanoen: Mallettin ideaa on mahdoton toteuttaa käytännössä.

Mallett hyväksyy arvostelun. Hän muistuttaa kuitenkin, että se on näkemykseltään rajoittunutta, koska se perustuu vain nykyiseen tekniikkaan.

”Uskon, että ongelmat voidaan ratkaista uutta luovilla teknisillä keksinnöillä”, Mallett toteaa.

Aikamatkaaja voi estää oman syntymänsä

Mallettin visioon liittyy toinen, ehkä vielä vaativampi, haaste. Kyseessä on perusluonteinen aikamatkustuksen ongelma, niin sanottu isoisäparadoksi.

Sen aiheuttaa ajassa matkustamisen tarjoama mahdollisuus muuttaa menneisyyttä. Siirtymällä ajassa taaksepäin saadaan tilaisuus esimerkiksi tappaa isoisä, ennen kuin hän tutustuu isoäitiin.

Siinä tapauksessa he eivät voi saada yhdessä sitä tytärtä, joka on aikamatkaajan äiti. Niinpä aikamatkaajankin pitää jäädä syntymättä. Kuka siis on se henkilö, joka tappaa isoisän?

Mallett ei ole esittänyt lopullista ratkaisua ongelmaan, mutta hän viittaa niin sanottuihin multiversumiteorioihin. Niiden mukaan maailmankaikkeutemme on vain yksi monista.

Pienimmänkin tapahtuman jokainen mahdollinen yksittäinen tulos luo uuden universumin, ja siksi aikamatkaaja saapuu rinnakkaiseen kaikkeuteen.

Multiversumiteoriat ovat kuitenkin ongelmallisia siksi, että ne johtavat nopeasti loputtomaan määrään kaikkeuksia, joissa on loputtomasti tapahtumia.

Kanadalaiset fyysikot Jacob Hauser ja Barak Shoshany ovat yrittäneet ratkaista matemaattisen pulman laskemalla yksinkertaisen multiversumimallin.

Siinä he olettavat tapahtumien esiintyvän samassa kaikkeudessa mutta niin, että kaikilla kohteilla on useita aikajanoja.

Aikamatkaaja poistuu omalta aikajanaltaan ja siirtyessään toiselle saa tilaisuuden vaikuttaa tapahtumiin.

Vaikka hän ampuisi toisella aikajanalla isoisäänsä muttei osuisi, hän syntyisi myöhemmin tällä aikajanalla ja kuulisi isoisänsä kertovan häntä muistuttavasta henkilöstä, joka yritti tappaa isoisän ampumalla paljon ennen lapsenlapsen syntymää.

Hauserin ja Shoshanyn mukaan aikajanojen ja tapahtumien määrä ei tässä mallissa muutu välttämättä loputtomaksi.

Aikamatkustamiseen liittyy valtavia teorian ja käytännön ongelmia, mutta Ronald Mallett luottaa siihen, että siitä tulee mahdollista.

Hän tähtää nyt kokeeseen, jossa rengaslaser kaareuttaa aika-avaruutta ja vaikuttaa neutroniin. Hän arvioi alkukustannukset 250 000 dollariksi ja toivoo saavansa rahoituksen järjestymään.

Mallett on kuitenkin jo luopunut toivosta päästä näkemään isänsä vielä kerran. Aikakoneella olisi toteutuessaankin omat rajoituksensa, ja Mallett epäilee, ettei sillä voi siirtyä sen valmistumishetkeä kauemmas menneisyyteen.

Ongelma saattaa olla yleispätevä ja selittää, miksei tulevaisuudesta ole tiettävästi tullut vieraita.

Artikkeli on julkaistu ensimmäisen kerran 2020.