Nyt tiedetään, miltä aikakone näyttää

Maailmankaikkeus saattaa olla täynnä madonrei'iksi kutsuttuja oikopolkuja ajasta ja paikasta toiseen. Tähän asti niitä ei ole osattu erottaa tavallisista mustista aukoista. Nyt tiedetään, miten ne tunnistaa. Osa tutkijoista uskoo, että niitä voidaan käyttää aikakoneina.

Maailmankaikkeus saattaa olla täynnä madonrei'iksi kutsuttuja oikopolkuja ajasta ja paikasta toiseen. Tähän asti niitä ei ole osattu erottaa tavallisista mustista aukoista. Nyt tiedetään, miten ne tunnistaa. Osa tutkijoista uskoo, että niitä voidaan käyttää aikakoneina.

Olipa kerran kaksi rakastavaista, Romeo ja Julia, jotka halusivat mennä naimisiin. Heidän perheensä kuitenkin olivat vihoissa keskenään, ja heidän vanhempansa tekivät kaikkensa estääkseen rakastavaisia saamasta toisiaan. Siksi Julia ja Romeo lähetettiin kukin omaan galaksiinsa kauas toisistaan.

Onneksi Romeo ja Julia olivat fyysikoita ja vielä ammatissaan poikkeuksellisen kekseliäitä. Niinpä he löysivät niin sanotun madonreiän, aika-avaruuden tunnelin, joka yhdistää heidän galaksinsa. Ulkoa tunnelin päät näyttävät mustilta aukoilta, joista toinen on Julian ja toinen Romeon galaksissa.

Romeo ja Julia heittäytyivät kumpikin mustaan aukkoon omassa päässään madonreikää. Heidän vanhempansa luulivat, että rakastavaiset ovat epätoivoissaan päätyneet itsemurhaan.

Jotenkin näin voisi kulkea Shakespearen klassisen draaman tarina scifi-versiona. Toisaalta loppu voisi olla onnellinen:

Madonreiässä vallitsevat äärimmäisen voimakkaat painovoimakentät kuljettavat Romeota ja Juliaa niin, että lopulta he päätyvät sylikkäin keskelle madonreikää. Siellä he voivat vihdoin saada toisensa. Madonreiässä rakastavaiset ovat päätyneet toiseen paikkaan avaruudessa, mutta myös toiseen paikkaan ajassa.

Kosmiset aikakoneet ovat naamioituneet mustiksi aukoiksi.

Ajatus siitä, että maailmankaikkeudessa voi olla madonreikiä, jotka yhdistävät paikkoja ja ajankohtia, on peräisin Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta. Madonreikien löytäminen ja tutkiminen tosin on vaikeaa, sillä ne näyttävät ulospäin mustilta aukoilta. Mustien aukkojen sisuksien tutkimista tai edes näkemistä on pidetty mahdottomana.

Uusien teorioiden mukaan madonrei'illä on kuitenkin erityispiirteitä, joiden perusteella ne voidaan erottaa muista mustista aukoista. Kosmiset aikakoneet voidaan siis ehkä paljastaa.

Tidsrejser ormehuller galaksers hjerter

Useimpien galaksien ytimessä on supermassiivisia mustia aukkoja. Jotkin niistä voivat olla madonreikien aukkoja.

© Shutterstock

Aika-avaruus taipuu U:ksi

Madonreiät ovat suhteellisuusteorian mukaan fyysisesti mahdollisia, koska painovoima vaikuttaa sekä avaruuteen että aikaan. Einstein liitti tilan kolmeen ulottuvuuteen ajan niin sanotuksi aika-avaruudeksi, jossa on siis neljä ulottuvuutta.

Ihminen ei voi nähdä neliulotteisesti. Siksi aika-avaruus kuvataan usein kaksiulotteisena pintana, joka painuu kuopalle massallisen kappaleen alla.

Kappaleet, joiden massa on vaatimaton, kuten maapallo, taivuttavat aika-avaruutta suhteellisesti yhtä paljon kuin ihminen istuessaan tuolin verhoilua. Sen sijaan äärimmäisen tiheät kappaleet, kuten mustat aukot tai neutronitähdet, tuottavat aika-avaruuteen syvän kuilun.

Jos kaksi tällaista kuilua yhdistyy, aika-avaruus niiden ympärillä voi taipua U:n muotoiseksi kaareksi.

Madonreikä on oikopolku, joka yhdistää kaksi aluetta aika-avaruudessa. Madonreikä syntyy, kun supermassiiviset mustat aukot taivuttavat aika-avaruutta. Madonreiästä voi päästä kaukaiseen galaksiin toisessa ajassa.

Tidsrejser masser krummer rum-tiden
© Shutterstock & Malene Vinther

1. Massa taivuttaa aika-avaruutta

Kaksi supermassiivista mustaa aukkoa (A ja B) synnyttää aika-avaruuteen syvän kuilun, jonka ympärillä aika-avaruus taipuu U:n muotoiseksi. Normaalisti valohiukkanen – tai avaruusalus – kulkisi U:n kaarta pitkin pitkän matkan pisteestä A pisteeseen B.

Tidsrejser genvej i tiden
© Shutterstock & Malene Vinther

2. Madonreikä luo oikopolun

Jotkin galaksien keskustassa olevat mustat aukot voivat olla madonreikiä, jotka vievät toisiin galakseihin. Jos menee madonreiän aukkoon A, reiän aukko B voi olla tulevaisuudessa. Jos matkan kulkee toisinpäin, voi päästä menneisyyteen.

Tidsrejser ormehuller fortid og fremtid
© Shutterstock & Malene Vinther

3. Eksoottinen aine pitää putken auki

Jotta madonreiän läpi voi kulkea, sen seinämät pitää saada pysymään erillään. Teoriassa se on mahdollista, jos on olemassa niin sanottua eksoottista ainetta, joka kumoaa painovoiman niin, että madonreiän seinämät eivät painu kiinni toisiinsa.

Kun valohiukkanen kulkee U:n sakaraa alas ja pohjan kaarta pitkin toiseen sakaraan ja sitä pitkin ylös, se päätyy lähelle lähtöpistettään. Jos se siellä osuu sakaroita yhdistävään madonreikään, se voi päätyä samaan paikkaan, josta se lähti, eli menneisyyteen.

Matka voi mennä myös toisinpäin. Jos valohiukkanen osuu madonreikään jo alkumatkasta, se voi oikaista suoraan U:n toiseen sakaraan ja päästä tulevaisuuteen.

Madonreiät ovat siis kosmisia oikopolkuja menneen ja tulevan välillä, eli niiden kautta voi matkustaa ajassa – jos niitä on olemassa. Periaatteessa matkustajat menneisyydestä ja tulevaisuudesta voivat myös kohdata puolimatkassa kuten Romeo ja Julia.

Eksoottinen aine mahdollistaa aikakoneen

Madonreiät tulivat toden teolla tutkijoiden puheenaiheeksi 1980-luvun lopulla, kun Nobel-palkittu yhdysvaltalaisfyysikko Kip Thorne laski, että teoriassa olisi mahdollista kulkea avaruusaluksella madonreiän läpi. Tosin se edellyttäisi, että on olemassa niin sanottu eksoottinen aine, joka pitää madonreiän seinämät erossa toisistaan.

Kaikella tavallisella aineella on massa, ja siksi se vetää muita kappaleita puoleensa. Sen sijaan eksoottinen aine, jonka massa on negatiivinen eli pienempi kuin nolla, hylkii muita kappaleita.

Jos siis madonreiän seinämissä olisi pienikin kerros eksoottista ainetta, se pitäisi reiän auki niin, että avaruusalus voisi kulkea sitä pitkin ajasta ja paikasta toiseen.

Negatiivinen painovoima kuulostaa tieteiskirjallisuuden ilmiöltä, mutta siitä on saatu viitteitä kokeissa. Näyttää siis siltä, että eksoottista ainetta oikeasti on olemassa muuallakin kuin teorioissa.

Madonreikiä aikojen alusta

Teorian siitä, että osa supermassiivisista mustista aukoista on madonreikien sisäänkäyntejä, esitti vuonna 2006 venäläinen fyysikko Igor Novikov, joka toimii Kööpenhaminan yliopistossa.

Teorian ydin on olettamus, että pian alkuräjähdyksen jälkeen, aika-avaruus oli hyvin tiivis sekasotku, joka vaikutti lähinnä vaahdolta. Tuossa rytäkässä syntyi runsain mitoin mustia aukkoja, joista osa päätyi kosketuksiin keskenään ja muodosti madonreikiä.

Maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt madonreikiä.

Sitä mukaa kuin maailmankaikkeus on laajentunut, madonreiät ovat levinneet kaikkiin nykyisen maailmankaikkeuden kolkkiin. Samalla madonreiät ovat venyneet niin, että ne yhdistävät valtavien etäisyyksien päässä olevia galakseja. Niistä on muodostunut kosminen verkosto, joka yhdistää pisteitä eri paikoissa ja ajoissa.

Osa madonrei'istä on voinut katketa avaruuden laajetessa. Näiden jäljiltä galaksien ytimissä on nykyään tavallisia mustia aukkoja.

Yksi johtavista madonreikätutkijoista on fyysikko Juan Maldacena yhdysvaltalaisesta Princetonin yliopistosta. Hänen ajatusleikkinsä on myös kosminen versio Romeon ja Julian tarinasta. Hänen laskelmiensa mukaan kahden galaksin välinen madonreikä voi oikeasti olla geometrialtaan sellainen, että siinä voi matkustaa ja kohdata toisen puolimatkassa.

Maldacenan laskelmien mukaan Romeo ja Julia eivät kuitenkaan pääse ulos madonreiästä. Maailmankaikkeus laajenee ja samalla venyttää madonreikää niin kovalla vauhdilla, että he eivät ei koskaan ehdi ulos, vaikka he kiitäisivät kohti madonreiän aukkoa lähes valon nopeudella.

Tidsrejser Maldacena og Thorne

Kip Thorne päätteli, että on teoriassa mahdollista lentää avaruusaluksella madonreiän läpi. Juan Maldacenan mukaan alus ei koskaan pääsisi reiästä ulos, koska madonreikä pitenee jatkuvasti.

© Caltech/UPI/Ritzau Scanpix & ICTS

Kaikki tutkijat eivät yhtä varmoja madonreikämatkailusta. Venäjän tiedeakatemian keskusobservatoriossa Pietarissa toimiva fyysikko Mihail Petrovitš on siltä mieltä, että atomit, jotka kulkevat madonreiän kautta galaksista toiseen, tulevat ulos madonreiästä plasmana, jonka lämpötila on biljoonia asteita.

Myös Petrovitš on kuitenkin sitä mieltä, että ainakin teoriassa madonreiän läpi on mahdollista matkustaa. Ja madonreiät on mahdollista tunnistaa.

Petrovitš on laskenut, mitä tapahtuu, kun kumpikin madonreiän päissä oleva musta aukko imee kaasua. Ensin äärimmäisen voimakkaat painovoimakentät kiihdyttävät kaasuhiukkaset lähes valon nopeuteen.

Molemmista päistä tulevat kaasuhiukkaset syöksyvät madonreikää pitkin ja törmäävät reiän keskellä. Törmäyksessä syntyy kymmenen biljoonaa astetta kuuma plasmakupla, joka alkaa laajeta rajusti. Kupla pullistuu niin, että plasmaksi muuttuneet kaasuhiukkaset purkautuvat madonreiän päissä olevista mustista aukoista ja muodostavat niiden ympärille kaasukiekon. Kuuma kaasukiekko lähettää voimakasta gammasäteilyä.

Tavallisen supermassiivisen mustan aukon ympärillä olevasta kaasukiekosta ei tule gammasäteilyä. Siksi säteilyn perusteella voidaan tunnistaa madonreiät. Apuna voidaan käyttää esimerkiksi Naton Fermi-avaruusteleskooppia, joka havainnoi gammasäteilyä.

Jos Petrovitšin laskelma pitää paikkansa, Romeo ja Julia voivat ainakin periaatteessa päästä myös ulos madonreiästä.

Toiset fyysikot ovat löytäneet vaihtoehtoisen tavan tunnistaa, mitkä mustat aukot ovat madonreikiä.

Madonreikä Linnunradassa

Tutkijat De-Chang Dai kiinalaisesta Yangzhoun yliopistosta ja Dejan Stojkovic yhdysvaltalaisesta Buffalon yliopistosta ovat julkaisseet laskelmia Linnunradan keskuksessa olevasta supermassiivisesta mustasta aukosta. Se ei ole kovin aktiivinen, koska se on ehtinyt imeä lähiympäristönsä tyhjäksi kaasusta. Siksi tutkijat ovat onnistuneet kartoittamaan aukkoa kiertävän S2-tähden radan. S2 kiertää aukkoa vain 20 miljardin kilometrin etäisyydellä.

Jos oman kotigalaksimme supermassiivinen musta aukko on madonreiän aukko ja jos reiän toisessa päässä olevan mustan aukon lähistöllä on myös tähti, tähtien massat vaikuttavat toisiinsa madonreiän kautta. Se vaikuttaisi S2:n kiertorataan.

S2:n kiertorataa päästään tutkimaan lähemmin, kun Pohjois-Chilen aavikolle rakennettava ETL-teleskooppi (Extremely Large Telescope) valmistuu. Sen peilien läpimitta on 30-40 metriä. Jos S2:n kiertoradassa näkyy merkkejä toisen tähden massan vaikutuksesta, Linnunradassa saattaa olla lähtöportti aikamatkoille.

Aikamatkat Tähti S2

S2-tähti kiertää Linnunradan keskellä olevaa mustaa aukkoa (vas.). Jos musta aukko on madonreiän aukko, ELT-teleskooppi (oik.) näkee, vaikuttaako S2:n kiertorataan madonreiän toista aukkoa kiertävä tähti.

© M. Kornmesser/ESO & L. Calçada/ESO

Ajatus matkoista ajasta toiseen on kiehtova mutta myös vähän pelottava, sillä se kumoaisi käsityksen ajasta yksisuuntaisena ilmiönä. Näyttää kuitenkin siltä, että aikamatkat eivät ole luonnonlakien vastaisia.

Lentomatka vie tulevaisuuteen

Jo nykytiedon mukaan matkustaminen tulevaisuuteen on mahdollista. Sellainen aikamatka tapahtuu aina, kun liikumme suurella nopeudella.

Aikamatkaa voi havainnollistaa ajattelemalla aikaa jokena, joka virtaa menneisyydestä tulevaisuuteen. Joessa kelluu virran vietävänä vene, jossa me kaikki olemme matkustajia. Kun käynnistämme moottorin, joka kuljettaa vettä joen virtausta nopeammin, pääsemme pienen matkan tulevaisuuteen, sillä aika kuluu veneessä hitusen hitaammin kuin sen ulkopuolella.

Joka päivä miljoonat lentomatkustajat tekevät muutaman sekunnin miljardisosan loikan tulevaisuuteen, kun he matkustavat koneissa, jotka kulkevat tuhannen kilometrin tuntivauhtia. Aikaeroa ei vain huomaa, koska niin pienien erojen havaitsemiseen tarvitaan atomikello.

Todellisia aikamatkoja voidaan tehdä vasta sitten, kun osataan rakentaa avaruusalus, joka kulkee lähes valon nopeudella. Silloin aika kuluu aluksessa huomattavasti hitaammin kuin sen ulkopuolella.

Jos astronautti lähtee lähes valon nopeudella kulkevassa aluksessa Auringon naapuritähdelle ja tulee takaisin Maahan, aluksessa aika on edennyt yhden vuoden. Maassa sen sijaan on kulunut kymmenen vuotta. Maahan tullessaan astronautti siis laskeutuu tulevaisuuteen.

Esimerkki perustuu Einsteinin erityiseen suhteellisuusteoriaan. Se osoittaa, että samanaikaisuus ei päde, kun kuljetaan suurten etäisyyksien poikki avaruudessa. Silloin ajan kuluminen riippuu havainnoitsijan nopeudesta.

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria puolestaan esittää, että aika riippuu myös massasta ja painovoimasta. Mitä suurempi kappaleen massa on, sitä isompi painovoima sillä on ja sitä hitaammin aika siellä kuluu. Tämä ilmiö on havaittavissa myös Maassa: vuoren huipulla aika kuluu hieman hitaammin kuin merenpinnan tasolla, koska vuoren huippu on kauempana Maan painovoimapisteestä.

Jos astronautti voisi käydä neutronitähdellä, jonka läpimitta on 10–20 kilometriä mutta massa on suurempi kuin Auringon, loikka tulevaisuuteen olisi pidempi. Neutronitähdellä aika kuluisi 30 prosenttia hitaammin kuin Maassa.

Käynti neutronitähdellä veisi satojen vuosien päähän tulevaisuuteen.

Kun astronautti palaisi neutronitähdeltä Maahan, aika olisi ehtinyt Maassa satoja vuosia pidemmälle kuin hänen aluksessaan.

Painovoiman vaikutus tarkoittaisi myös sitä, että jos Romeo ja Julia päättäisivät palata madonreiästä kotigalaksiinsa, heidän ei tarvitsisi huolehtia vanhempiensa mielipiteistä. Madonreiän valtava painovoima hidastaisi ajan kulkua niin, että he palaisivat kotiinsa niin kaukana tulevaisuudessa, että kukaan ei enää tuntisi heitä.

Matka menneisyyteen sisältää riskejä

Siinä missä aikamatka tulevaisuuteen on ainakin periaatteessa mahdollinen, matkustaminen menneisyyteen on kimurantimpi juttu. Sekin on kuitenkin periaatteessa mahdollista, jos aika-avaruuden madonreikiä on olemassa.

Matkustamiseen ajassa taaksepäin liittyy loogisia ongelmia, joihin ei tunnu löytyvän ratkaisua. Yksi tällainen on niin sanottu isoisäparadoksi: Mitä tapahtuu, jos ihminen matkustaa menneisyyteen ja surmaa isoisänsä ennen kuin tämä on ehtinyt saada lapsia? Silloin aikamatkustajaa itseään ei voisi olla olemassa, mutta voisiko hän silti menneisyydessä surmata isoisänsä?

Paradoksi sai kuuluisan brittiläisen fyysikon Stephen Hawking päättelemään, että luonnonlaeissa täytyy olla jokin vielä tuntematon mekanismi, joka estää aikamatkat menneisyyteen.

Igor Novikov ei ole yhtä jyrkkä. Hän uskoo, että ajassa taaksepäin matkustaminen voi olla mahdollista, mutta matkustaja ei voi tehdä menneisyydessä asioita, jotka kumoavat asioita nykyisyydessä tai tulevaisuudessa.

Jos aikamatkustaminen on joskus mahdollista, matkoja ei siis voisi tehdä aikaan ennen aikakoneen keksimistä. Lomamatka faraoiden Egyptiin katsomaan pyramidien rakentamista ei siis onnistuisi. Samasta syystä tiettävästi kukaan ei ole tullut tulevaisuudesta käymään meidän ajassamme.