Tieteen
tehtävä onkin määritelty uudelleen: nyt me etsimme sellaisia luonnonlakeja,
jotka mahdollistavat tapahtumien ennustamisen epätarkkuusperiaatteen sallimissa
rajoissa. Edelleen jää kuitenkin avoimeksi kysymys, miksi nämä lait ja
maailmankaikkeuden alku ovat juuri sellaisia kuin ovat.
Ajan lyhyt historia on popularisoidun
modernin fysiikan kirkkain johtotähti. Olen pitkään aikonut lukea sen, sillä
fysiikka on vallannut metafysiikalta alaa (filosofi Wittgensteinin sanoin: ”Filosofialle
ei jää muuta tehtävää kuin kielen analysoiminen”), ja metafysiikka jos jokin on
tavattoman kiinnostavaa. Metafysiikka, eli sanokaamme nyt ihan vain korkea fysiikka,
selittää millainen maailmankaikkeuden rakennetta ja kehitystä ja vastaa samalla
filosofeja pitkään hiillostaneisiin kysymyksiin kaiken alusta, perussubstanteista
jne. Fysiikka vastaa siis kaikkiin kysymyksiin, jotka empirismin ja teorian
turvin voi selittää (eli ei kuitenkaan arvokysymyksiin, joissa käsitellään epäeksakteja, empiirisesti tavoittamattomia arvoja: esim. onko oikein
valehdella).
Kirjan kirjoittanut tiedemaailman julkkis Stephen Hawking käy läpi ihmisen
käsitystä maailmankaikkeudesta fysikaalisen selittämisen lisäksi myös nimenomaan
historiallisesta perspektiivistä. Mikä on kieltämättä mielenkiintoista, sillä
siten on mahdollista huomata miten ihminen on taipuvainen ajattelemaan ja millaisia reittejä olemme nykykäsitykseen saapuneet. Ensimmäisessä luvussa käydään läpi
kosmologisia malleja loputtomasta kilpikonnapinosta pyöreisiin planeettoihin, Ptolemaioksen
maakeskisestä mallista heliosentriseen.
Kirjan toinen luku on otsikoitu tittelillä Avaruus ja aika. Se syynää Newtonin painovoimalakeja sekä selittää, miksei
ole olemassa absoluuttista avaruutta
eli sellaista avaruuden kiintopistettä, josta voitaisiin sanoa liikkuuko maa
junan suhteen vai juna maan suhteen, tai tapahtuvatko edes kaksi eri aikoina
sattuvaa ilmiötä samassa vai eri paikassa avaruutta. Kun valon nopeudelle
saatiin mitattua äärellinen arvo, Einstein käsitti, ettei absoluuttista aikaakaan ole. Tätä uutta teoriaa kutsuttiin suhteellisuusteoriaksi, jonka pääpointti
oli, että luonnonlait ovat kaikille liikkuville havaitsijoille samat
nopeuksista huolimatta. Newtonin teorioissa tämä päti, mutta nyt se liitettiin
myös valonnopeuteen: valon nopeus on kaikille havaitsijoille sama riippumatta
siitä, millä nopeudella havaitsija liikkuu. Tästä seuraa Einsteinin kuuluisa
kaava E = mc^2, josta on helppo huomata että nopeudella on yläraja,
valonnopeus. Yksikään massallinen kappale ei kuitenkaan voi saavuttaa
valonnopeutta tai ylittää sitä, koska mitä suurempi kappaleen nopeus on, sitä
suurempi myös massa on (eikä massa voi kasvaa äärettömäksi. Lisäksi kappaleen
vauhdittamiseen olisi tarvittu äärettömän paljon energiaa: F = ma). Fotoni on
massaton.
Kuvitetussa laitoksessa
teorioiden tukena ovat kuvat, jotka esittävät esimerkiksi
aika-avaruus-koordinaatistossa nykyhetken tulevaa ja mennyttä valokartiota
(näiden kartioiden ulkopuolelle jäävää aluetta ei havaitsija voi havaita, sillä
se vaatisi valonnopeuden ylittämistä). Yleinen suhteellisuusteoria selittää
myös sen, että aika hidastuu suuren massan läheisyydessä. Hidastuminen johtuu
siitä, että valon energia riippuu taajuudesta (aaltojen lukumäärä sekunnissa):
mitä suurempi taajuus, sitä suurempi energia valolla on. Esim. Maan
painovoimakentässä ylös kipuava valonsäde menettää energiaa, jolloin sen
taajuus pienenee eli aallonpituus kasvaa: ylhäältä tarkasteltuna kaikki
alempana olevat tapahtumat näyttävät hidastuneen. Tämä selittää myös kaksos”paradoksin”
(juuri näitä muuten käsitellään viime vuonna ensiesityksensä saaneessa, erinomaisessa tieteiselokuvassa
Interstellar).
Toisin sanoen: koska aika ja avaruus muuttuvat tilanteen mukaan,
jokaisen hiukkasen aika käy omaan tahtiinsa, joka riippuu paikasta ja
nopeudesta.
Sellaista asiaa. Teos siirtyy
seuraavissa luvuissa klassisesta fysiikasta modernin fysiikan kvanttimaailmaan.
Mutta mitä syvemmälle sinne uppoudutaan, sitä hankalampaa asioita on selittää
ilman matematiikkaa. Hawking on kiitettävästi onnistunut tempomaan tuon suon
halki, vaikkei kovin kattavaa käsitystä voikaan modernista fysiikasta muodostaa (ei edes
klassisesta, ei lähimainkaan) ilman matematiikan eksaktia kieltä.
Seuraavat kaksi lukua käsittelevät laajenevaa maailmankaikkeutta (mm.
muiden galaksien havaitseminen ja tähden valon spektrin hajottamisen kautta
Doppler-ilmiön ja punasiirtymän selittäminen, avoimen ja suljetun maailmankaikkeuden
kehityksen mallit) ja Heisenbergin epätarkkuusperiaatetta (= hiukkasen tulevan
paikan ennustamiseksi on ensin mitattava hiukkasen paikka ja nopeus
nykyhetkellä. Kun mittaus tehdään valolla, tarkkaa tulosta ei voida saada,
sillä valo vaikuttaa aina hiukkasen nopeuteen tavalla, jota on mahdoton
ennustaa. Mitä tarkemmin hiukkasen nopeus tiedetään, sitä huonommin paikka
tunnetaan ja päinvastoin). Tästä seuraa se, ettemme me ihmiset voi koskaan
ennustaa tulevaisuutta, emme edes yhden hiukkasen (mutta eipä se kiellä
kohtalonomaista, tutkimatonta determinismiä). Epätarkkuusperiaate johtaa
kvanttifysiikan todennäköisyyksien maailmaan, jossa havainnot voidaan tulkita
sekä aaltoina että hiukkasina (samanaikaisesti!), joiden välillä voi olla
interferenssiä (kaksirakokoe).
Alkeishiukkasia koskevassa luvussa jaetaan hiukkaset aine- ja
voimahiukkasiin (/virtuaalihiukkasiin). Mustia aukkoja koskevassa kappaleessa
käydään läpi tähden elinkaari, ja selitetään miksi mustat aukot
säteilevät. Seuraavaksi kahlataan läpi maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä
ja selitetään inflatorinen laajeneminen (maailmankaikkeus oli alijäähtyneessä
tilassa ja siten sillä oli ylimääräistä energiaa, joka toimi kuin
antipainovoima [työntövoima] ja kiihdytti laajenemista rajusti. Samalla
maailmankaikkeus tuli kauttaaltaan yhtenäiseksi ja laajenemisvauhti lähelle nk.
kriittistä arvoa). Ns. reunattomuusmallissa taas käytetään imaginaariaikaa, ja siinä
maailmankaikkeus on kooltaan äärellinen mutta reunaton (vrt. pallo).
Tätä kaikkea lukiessani minulle pälkähteli päähän enemmän kysymyksiä kuin ehdin vastauksia saada, mutta kaipa se on ihan sallittua tai jopa suotavaa. Kaiken kaikkiaan, Ajan lyhyt historia yllätti positiivisesti. Ärsyynnyn hypetetyistä
kirjoista, ja ilmeisesti myös tieteiskirjallisuudessa tämä dogma pitää. Mutta
Hawking todella on taitava popularisoija ja jos ei muuta, saa ainakin lukijan
kyseenalaistamaan oman fysikaalisen (ja mikseipä myös aatteellisen)
maailmankuvansa.
Indigo
