YLE/Ykkösaamu, 18.3.2005
YLE/Ykkösaamu, 18.3.2005
Hannu Reime
Eilen oli kulunut päivälleen sata vuotta siitä, kun Albert Einstein jätti ensimmäisen tärkeän tutkimustyönsä julkaistavaksi, ja muutaman kuukauden kuluessa nuorelta fyysikolta ilmestyi neljä muuta käänteentekevää artikkelia. Vuotta 1905 kutsutaan fysiikassa ”ihmeitten vuodeksi,” ja sen kunniaksi tätä meidän nyt elämäämme vuotta 2005 vietetään kansainvälisenä fysiikan vuotena. Olemme ykkösaamuissa perjantaisin kuulleet sarjaa maailmasta ja maailmankuvasta. Tämänkertaisessa, yhdeksännessä osassa haastatellaan fyysikko ja tiedekirjailija Kari Enqvistiä. Hän kertoo muutoksista , joita fysiikka on saanut aikaan maailmankuvassamme. Sarjaa Maailma ja maailmankuva toimittaa Hannu Reime.
HR: Albert Einsteinin sadan vuoden takaiset työt käsittelivät fysiikan useita osa-alueita, mutta ennen kaikkea hänet muistetaan suhteellisuusteoriasta. Suppeamman tai — niin kuin myös sanotaan — erityisen suhteellisuusteorian perusteet Einstein julkaisi vuoden 1905 kesäkuussa, ja yleisestä suhteellisuusteoriasta hän alkoi luennoida kymmenen vuotta myöhemmin. Kari Enqvist on ahkera tiedekirjailija, joka päätyönään Helsingin yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksella tutkii kosmologiaa eli maailmankaikkeuden rakennetta; virka-asemaltaan hän on kosmologian professori. Pyysin Kari Enqvistiä kertomaan lyhyesti, mitä suhteellisuusteoria on.
KE: Suhteellisuusteoria on oikeastaan oppi siitä, miten kappaleet liikkuvat avaruudessa, ja koska liike on muutosta, se viime kädessä on teoria siitä, mitä on aika.
HR: Tämä siis merkitsi muutosta meidän maailmankuvaamme.
KE: Se merkitsi meidän maailmankuvassamme sellaista muutosta, että toisaalta ajatus avaruudesta absoluuttisena ikään kuin newtonilaisena tyhjänä teatterinäyttämönä, jonne sitten kappaleet ja ihmiset tulevat lausumaan vuorosanojaan, se muuttui sillä tavoin, että avaruudesta ja ajasta tuli, ei tällaisia muuttumattomia, staattisia seikkoja, vaan dynaamisia, alati muuttuvia ominaisuuksia, joihin sitten aine vaikuttaa.
HR: Sitä on aika vaikeaa ymmärtää ilman matematiikkaa.
KE: Se on tietysti totta, koska meidän arkikokemus kertoo meille, että avaruus on se tyhjä näyttämö, että on olemassa aika, on olemassa ikään kuin kosminen vaarinkello, joka koko ajan meistä riippumatta tikittää sitä armotonta aikaansa. Nyt sitten Einstein tuli ja sanoi, että näin se ei oikeasti ole. Sillä tavoin meidän on vaikeaa mieltää sitä, koska meidät on ikään kuin kehitetty olosuhteissa, joissa nämä suhteellisuusteoreettiset ilmiöt eivät yksinkertaisesti näy.
HR: Kosmologia tutkii maailmankaikkeutta. Onko maailmankaikkeuksia yksi vai useita?
KE: Tämä on vähän semmoinen semanttinen kysymys niin, että toisaalta voi sanoa, että maailmankaikkeus määritelmänsä mukaan on kaiken totaliteetti, kaikki se, mitä on olemassa, ja siinä mielessä on ainoastaan yksi maailmankaikkeus. Toisaalta sitten tästä yhdestä kaiken totaliteetista me ihmiset kykenemme näkemään vain tietyn osan, tietyn palasen, ja se, mikä on tämän palasen ulkopuolella, se on meille näkymätöntä, toisaalta ehkä joko tällä hetkellä näkymätöntä ja tulevaisuudessa näkyvää tai sitten periaatteessa kokonaan näkymätöntä. Tässä mielessä voi sanoa, että on monia maailmankaikkeuksia, niitä maailmankaikkeuksia, jonne me emme näe, mutta että semanttisessa mielessä on siis vain yksi kaiken totaliteetti.
HR: Maailmankaikkeuksia, joita emme näe?
KE: Niin, sehän on niin, että jos ajatellaan, miten me saamme tietoa universumista. Saamme tietoa pääasiassa sähkömagneettisen säteilyn kautta, ja sähkömagneettinen säteily, siis valo tai radioaallot, ne kulkevat sen 300 000 kilometriä sekunnissa. Nyt kun maailmankaikkeus on syntynyt noin 13,7 miljardia vuotta sitten, niin valo on ehtinyt kulkea vain 13,7 miljardia vuotta. Se on ikään kuin postimies, joka tuo tietoa, ja se postimies on ehtinyt sillä polkupyörällään polkea vasta 13,7 miljardia vuotta niin, että hyvin, hyvin kaukaisista maailmankaikkeuden osista tämä postimies, tämä valo ei ole vielä ehtinyt meille, ja sen takia me emme näe sitä.
HR: Kuinka kosmologi, fyysikko, vastaa kysymykseen, mitä oli ennen kuin maailmankaikkeus syntyi?
KE: Yleisen suhteellisuusteoria mukaan ei ollut mitään, ja tämä on juuri se semmoinen hyvin vaikea asia käsitettäväksi, ja tämä liittyy siihen, että aine todella muuttaa ajan ominaisuuksia. Se aine, mikä maailmankaikkeudessa on, tekee aikakoordinaatista toisenlaisen kuin miltä meistä tuntuu. Meistähän tuntuu, että menneisyys on menneisyyttä, ja sitä voi periaatteessa jatkua vaikka ikuisuuksiin saakka, mutta suhteellisuusteoria sanoo, että se aikakoordinaatti onkin ehkä enemmän … tai se analogia on tavallaan, voisi sanoa näin, se on kuin pohjoisuus. Me voimme ajatella, että kun me kuljemme pohjoisemmas ja pohjoisemmas, se on analogia sille, että menemme ajassa lähemmäs ja lähemmäs sitä alkuräjähdystä. Ja sitten kun tulemme sinne pohjoisnavalle, kun me tulemme siis alkuräjähdykseen, niin yhtä mieletöntä on kysyä alkuräjähdyksessä, mitä oli ennen tätä, kuin jos kysyisi pohjoisnavalla, mitä on vielä tätä pohjoisempana. Se pohjoisuus loppuu sinne pohjoisnavalle, eikä sen jälkeen ole mitään. Sieltä ei yksinkertaisesti ole pääsyä enää pohjoisemmaksi, ei vaikka mitä tekisi. Ja samalla lailla aika loppuu samassa mielessä siinä alkuräjähdyksessä. Sitä ei ollut olemassa ennen alkuräjähdystä.
HR: Entä tämän jälkeen?
KE: Aika, sekä aika että avaruus, molemmat syntyivät siinä alkuräjähdyksessä vähän samassa mielessä kuin jos me alkaisimme kävellä sieltä pohjoisnavalta poispäin kohti etelää. Se etelään meno olisi analogia sille, että aika kuluu, ja jos me ajattelemme sitten sitä leveyspiirin ympärysmittaa, niin kun me menemme etelää kohti, se tulee suuremmaksi ja suuremmaksi. Tämä on analogia sille, että maailmankaikkeus laajenee. Suhteellisuusteoreettisessa mielessä tavallaan aika ja avaruus ovat samanarvoisia, ja voisi ajatella näin, että aika ja avaruus muodostavat tällaisen neliulotteisen kappaleen. Se on ikään kuin möykky. Universumi on ikään kuin neliulotteinen möykky, ja tavallaan sen neliulotteisen kaksiulotteinen analogia on vaikkapa maapallon pinta.
HR: Meidän on aika vaikeaa ajatella neliulotteista avaruutta, meidän ihmisinä.
KE: Siihen eivät pysty sen paremmin fyysikot kuin taiteilijatkaan. Me ihmiset, meidät on yksinkertaisesti rakennettu niin, että me emme siihen pysty. Ainoa tapa, miten me voimme näistä asioista täsmällistä tietoa saada on matematiikan avulla, joka tavallaan taluttaa meitä, samalla lailla kuin labradorinnoutaja sokeaa.
HR: Entä sitten aivan pienet asiat, kvanttifysiikka ja aineen rakenne?
KE: Kvanttifysiikka on tavallaan sadan viime vuoden aikana ollut toinen suuri fysiikan kertomus. Siinähän on edistytty tavattoman pitkälle. On purettu atomi osiinsa, atomin ytimet osiinsa, ja alkeishiukkasista sitten keskustellaan ja ihmetellään, mikä on ikään kuin se lopullinen taso. Mielenkiintoisella tavalla nämä asiat tulevat yhteen siellä alkuräjähdyksessä, koska maailmankaikkeus sen ensimmäisen silmänräpäyksensä aikana oli tämmöistä kuumaa alkeishiukkaspuuroa, ei ollut olemassa galakseja, ei planeettoja, ei mitään rakenteita. Aine oli kuumaa plasmaa, ja tämän alkeishiukkaspuuron ominaisuudet sitten ovat vaikuttaneet, minkälaiseksi meidän universumimme on tullut.
HR: Suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhdistäminen suureksi yhtenäisteoriaksi — kaiken teoriaksi, niin kuin myös sanotaan — on se, mistä fyysikot ovat puhuneet — ja haaveilleet — vuosikymmenien ajan. Onnistuttiinpa siinä tai ei, 1900-luvun fysiikka on joka tapauksessa muuttanut syvällisesti maailmankuvaamme. Kosmologi Kari Enqvist kertoo näistä maailmankuvan muutoksista sarjamme seuraavassa osassa perjantaina kahden viikon kuluttua.