Nobel-palkinnon saaja: ”Aikamatkat ovat mielikuvitusta”

1. Mikä on tärkein aikaa ja avaruutta koskeva tieteellinen havainto?

Tärkein huomio koskee ajan ja avaruuden liittymistä yhteen niin kuin Albert Einstein esitti yleisessä suhteellisuusteoriassaan.

Kolmen tilaulottuvuuden lisäksi on olemassa aikaulottuvuus. Tämä niin sanottu aika-avaruus on dynaaminen suure, joka voi kaareutua ja siten määrätä, kuinka kappaleet liikkuvat.

Asialla on suuri merkitys sille, kuinka maailmankaikkeus ja sen rakenne käsitetään, mukaan lukien supernovat ja luhistuvat tähdet. Viimeaikaiset havainnot mustista aukoista Event Horizon -teleskoopilla ovat varmaankin tärkeimpiä tieteellisiä huomioita.

2. Mihin aika-avaruutta koskevaa tietoa voidaan soveltaa?

Käsityksemme aika-avaruuden ominaisuuksista auttaa ymmärtämään maailmankaikkeuden toimintaa – gravitaatioaaltojen painovoiman tutkimuksesta valon kaareutumiseen. Myös arkitekniikka, kuten GPS-järjestelmä, perustuu tietoihin aika-avaruudesta.

Paikannussatelliitti, joka liikkuu neljä kilometriä sekunnissa, menettää sekunnin 300 vuodessa, koska aika kuluu hieman hitaammin sille. Matkana se vastaa 11:tä kilometriä päivässä, ja jos sitä ei korjattaisi, GPS-järjestelmä tuhoutuisi.

3. Useimmilla on lineaarinen aikakäsitys – mutta vastaako se todellisuutta?

Koska aika on suhteellista, päätelmä sopii niihin kehyksiin, joihin suhteellisuus perustuu.

Lineaarinen aikakäsitys pitää toisin sanoen paikkansa niin kauan kuin ollaan Maassa ja liikutaan normaalia vauhtia. Kun sen sijaan matkustetaan valtavalla nopeudella ja poistutaan maapallolta, ajan suhteellisuus muuttuu.

Aika etenee toista vauhtia erittäin suurissa nopeuksissa. Jos liikkuu tarpeeksi nopeasti, oma aika ja biologinen kello kulkevat hitaammin suhteessa kaikkeen liikkumattomaan.

4. Mikä tekee gravitaatioaaltojen havaitsemisesta niin tärkeää?

Einstein ennusti yli 100 vuotta sitten, että on olemassa pieniä gravitaatioaaltoja, jotka leviävät maailmankaikkeudessa valon nopeudella.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen todisti yhden keskeisistä yleisen suhteellisuusteorian osista. Gravitaatioaaltoja ei olisi voitu löytää ilman LIGO- eli Laser interferometer gravitational-wave observatory -laitteistoa. Se mittaa aika-avaruuden värähtelyä, joka vastaa vaikutukseltaan sitä, että Maahan osuu atomiytimen halkaisijan tuhannesosa.

Minun ja kollegoitteni vuonna 2015 tekemä havainto juontui kahden kaukaisen mustan aukon noin 1,3 miljardia vuotta sitten tapahtuneesta yhteentörmäyksestä. Silloin maapallolla oli vasta syntymässä monisoluisia eliöitä yksisoluisen elämän rinnalle.

5. Mihin keskeisiin aikaa koskeviin kysymyksiin kaivataan yhä vastausta?

Miksi aika kulkee vain yhteen suuntaan? Asiaa selitettäessä käytetään todisteena kausaali- eli syysuhdetta.

Kausaalisuus sisältää muuttujien välisen aikajärjestyksen.

Siinä tapauksessa, että a on syynä b:hen, a:n on pakko olla aikaisempi tapahtuma kuin b. Fysiikassa ei ole kuitenkaan perussääntöä tai -periaatetta, jonka mukaan ajan pitää kulkea vain yhteen suuntaan. Toistaiseksi kuitenkin syyn ja vaikutuksen väliseen riippuvuussuhteeseen perustuva todiste on paras selitys asialle.

6. Kenen elävän tai historiallisen henkilön haluaisit tavata?

Italialais-yhdysvaltalaisen fyysikon Enrico Fermin. Hän oli sekä teoreetikko että kokeiden tekijä.

Vuonna 1932 Fermi esitti kuuluisan teoriansa beetahajoamisesta ja ratkaisi ydinfysiikan pitkäaikaisen ongelman. Teorian oletuksiin kuului uusi ydinfysiikan perusvoima, niin sanottu vuorovaikutus, jossa atomin neutroni muuttuu protoniksi luovuttamalla elektronin ja neutriinon.

Frédéric ja Irène Joliot-Curien työ keinotekoisen radioaktiivisuuden parissa innosti Fermiä vuonna 1934 tuottamaan radioaktiivisuutta säteilyttämällä atomeja neutroneilla – minkä ansiosta hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1938. Fermi kehitti sittemmin maailman ensimmäistä ydinreaktoria Manhattan-projektissa.

7. Voidaanko joskus matkustaa ajassa? Ja kuinka, jos voidaan?

Siitä syystä, että aika ei kulje taaksepäin ja ettei aika voi ylittää valon nopeutta 300 000 kilometriä sekunnissa, siirtyminen menneisyyteen on käytännössä mahdotonta.

Vähimmäisvaatimuksena olisi toisenlainen käsitys maailmankaikkeudesta kuin nykyään, kun aika selitetään kausaalisuudella ja ajalla on siksi vain yksi suunta: eteenpäin.

Osa fyysikoista pitää aikamatkoja mahdollisina, mutta ne ovat silkkaa mielikuvitusta, joka ei perustu fysiikan lakeihin. Madonreikiä saattaa olla olemassa, mutta nekään eivät pysty kääntämään ajan suuntaa.