Planeettamme heikkenevä elinkelpoisuus
Tiedot ihmistoiminnan vaikutuksista planetaarisiin olosuhteisiin tarkentuvat joka vuosi muuttuen samalla hälyttävämmiksi ja pelottavammiksi. Jotkut puhuvat liiotelluista kauhuskenaarioista ja ihmisten pelottelusta mutta tutkijat ja asiantuntijat vain raportoivat objektiivisuuteen pyrkien mitä ovat havainneet ja minkälaisia seurauksia havaituilla tosiasioilla on ihmispopulaatioille, yhteiskunnille ja ylipäätään ihmisten elämälle ja hyvinvoinnille. Jos raportit ilmastokatastrofista ja biodiversiteettikadosta sekä monista muista kohtaamistamme kriiseistä kuulostavat pelottavilta, niin syynä on se, että olemme muuttamassa tulevaisuuttamme painajaismaiseksi.
Yksi kattavimmista raporteista liittyen planeettamme ilmastolliseen tilaan ja tulevaisuuteen, on kansainvälisen ilmastopaneelin (IPCC) kooste tunnetuista tieteellisistä tosiasioista. Kyseessä on raportti, joka perustuu tuhansien ja tuhansien tutkijoiden vuosikymmenten työhön. Raportissa jokainen tiedonmurunen on moneen kertaa varmennettu muiden tutkijoiden toimesta, ja sadat tutkijat ovat koostaneet sitä kuukausien ajan, jotta viimeisin tieteellinen tieto olisi huomioitu mahdollisimman luotettavalla tavalla. Vaikka IPCC on poliittinen organisaatio, ja tutkijoiden näkemys muokataan vielä poliitikkojen ja virkailijoiden toimesta laimeammaksi toimenpide-esitysten kokoelmaksi, voimme tarkastella vuodetun raporttiluonnoksen tuloksia ennen kuin se vesitetään poliittiseksi kompromissiksi.
Tuoreimmasta IPCC:n raportin luonnoksesta on tihkunut tietoa julkisuuteen ja se ei ole miellyttävää luettavaa. Ilmastokatastrofin suhteen tilanne on paljon vaarallisempi kuin olemme aiemmin arvioineet, koska katastrofaalinen muutos ilmasto-olosuhteissa etenee nopeammin kuin olemme osanneet ennustaa. Ilmastomuutos vaikuttaa perustavanlaatuisella tavalla planeettamme elämään jopa siinäkin tapauksessa, että ihmiskunta saa päästönsä kuriin. Syynä on tietenkin se, että planeettamme ilmakehän kasvanut hiilidioksidipitoisuus on jo nyt korkeammalla tasolla kuin kertaakaan miljooniin vuosiin ja se vaikuttaa planeettamme olosuhteisiin kaukaiseen tulevaisuuteen asti. Olemme käynnistäneet katastrofaalisen tapahtumasarjan, jota emme enää voi pysäyttää, vaan vain lieventää.
Lajit katoavat muuttuneissa olosuhteissa, koska eivät voi sopeutua muuttuneisiin olosuhteisiin yhdessä tai vain muutamassa sukupolvessa. Se saa luonnon ravintoverkot ja kokonaiset ekosysteemit romahtamaan uhaten koko biosfääriä, jonka stabiiliudesta olemme riippuvaisia. Lajit joutuvat muuttamaan elinalueiltaan, ja etsimään elinkelpoisia olosuhteita, mikä on suurelta osin mahdotonta mutta tuo erilaiset lajit useammin kosketuksiin ihmisten kanssa tarjoten meille sikermän erilaisia tartuntatauteja, joista Covid-19 on vasta alkusoittoa. Keskilämpötilat kasvavat kaikkialla ja sen seurauksena aiemmin äärimmäisinä pitämämme sääolosuhteet arkipäiväistyvät ja äärimmäinen, tappava kuumuus vaivaa yhä suurempia maa-alueita planeetallamme aina vain useammin. Myös lämpötilojen vaihteluväli kasvaa, mikä sekin osaltaan lisää äärimmäisten sääilmiöiden yleisyyttä (Kuva 1.). Samalla kun ekosysteemit häviävät muuttuneiden ilmasto-olosuhteiden myötä, myös merenpinta nousee jäätiköiden sulaessa ja suuri osa niistä alavista maista, joilla viljelemme ruokamme ja joille olemme rakentaneet kaupunkimme jää meren pinnan alle.
Tutkijoiden suurimpana huolena on miten planetaarisessa elossapitojärjestelmässämme kaikki vaikuttaa kaikkeen. Samalla kun kasvatamme ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuutta nostaen tunnettujen fysiikan lakien mukaisesti planeettamme lämpötilaa, olemme heikentämässä luonnollisia mekanismeja, joilla metsät ja meret sitovat hiilidioksidia ilmakehästämme. Esimerkiksi metsien hakkuut heikentävät luonnollista hiilen sitoutumista biomassaan ja maaperään mikä saa suuremman osan hiilidioksidipäästöistämme jäämään ilmakehään ja kuumentamaan planeettaamme. Tutkijoiden todellinen huolenaihe on muutammeko planeettamme ilmastoa liian nopeasti, jotta edes oma sivilisaatiomme voisi sopeutua tulevaan muutokseen. Biosfääri kyllä toipuu lopulta aiheuttamastamme massasukupuuttosta — kenties vasta miljoonien vuosien päästä — mutta yksittäiset lajit, mukaan lukien ihminen, eivät.
Olemme jo onnistuneet nostamaan planeettamme keskilämpötilaa 1.1 celciusastetta mutta jopa 1.7 asteen nousua ei ehkä voi enää välttää. Nykyiset päästömme, ilman radikaaleja päästövähennyksiä, ovat kasvattamassa keskilämpötilaa vähintään noin kolme astetta, mikä tekee suurista planeettamme maa-alueista elinkelvottomia ihmisille ja valtaosalle biosfääriä. Kun lämpötilat viimeksi olivat niin korkealla, planeettamme napa-alueilla kasvoi trooppisia sademetsiä ja kääntöpiirien väliset alueet — nykyinen tropiikki — olivat tappavan kuumia aavikoita.
Lämpenemisellä on vakavia seurauksia koko ihmiskunnalle. Viljelysmaat aavikoituvat tai jäävät nousevan meren pinnan alle, mikä uhkaa ruokaturvaamme nostaen aluksi ruoan hintaa globaalisti ja aiheuttaen lopulta sotia ja muita konflikteja, kun valtiot ja ihmisyhteisöt turvautuvat epätoivoisiin keinoihin jäädessään vaille ravintoa. Katoavat jäätiköt vievät myös mukanaan sulamisvesistä riippuvaisten alueiden juoma- ja kasteluveden ihmisille tuhoisalla tavalla — esimerkiksi Himalajan vuoriston jäätiköt tuottavat tarvittavan veden jopa parille miljardille ihmiselle ja niiden sulaminen tarkoittaisi kokonaisten valtioiden veden- ja ravinnonsaannin romahtamista.
Merten lämpeneminen taas hävittää koralliriuttojen tarjoamat ekosysteemit, joiden tuottamasta ravinnosta puoli miljardia ihmistä on riippuvaisena. Samalla häviävät riuttojen tarjoamat avomerten kalalajien nuoruusiän piilopaikat, mikä romahduttaa entisestään jo nyt ylikalastettuja valtamerten kalapopulaatioita. Kuivuus lisääntyy ympäri maailman — ja sen mukana metsä- ja maastopalot voimistuvat ja yleistyvät tuhoten niin kyliä ja kaupunkeja kuin kokonaisia ekosysteemejä, jotka eivät ole sopeutuneet säännöllisiin paloihin. Amazonin sademetsä on häviämässä ja muuttumassa savanniksi — jo nyt metsä vapauttaa ilmakehään enemmän hiiltä kuin sitoo, mikä kertoo karua kieltään käynnissä olevasta muutoksesta. Samaan aikaan Kanadan ja Siperian pohjoiset suot ovat kuivumassa, arktisen tundran routa sulamassa ja pohjoisten merien metaanihydraatit ovat muuttumassa lämmenneissä merivirroissa epästabiileiksi. Kaikki nämä tekijät toimivat positiivisena takaisinkytkentänä, jotka vain kiihdyttävät käynnistämäämme ilmaston lämpenemistä. Kaikki on lopultakin kytköksissä kaikkeen ja siksi globaaliin kriisiin voi vastata vain globaaleilla, valtiot ja kansat ylittävillä toimilla.
Koko valtavaan katastrofivyyhteen ja sen seurauksiin on mahdollista varautua ja ihmisten ympäri maailman onkin sopeuduttuva radikaalisti muuttuviin olosuhteisiin. Mutta tärkeintä on pysäyttää biologisen maailman tuho ja ilmaston muuttuminen nollaamalla päästömme ja ajamalla alas tuhoa aiheuttava ylikulutuksemme ja talousjärjestelmämme kasvuriippuvaisuus. Jokainen tuhottu metsä tai muu ekosysteemi ja jokainen asteen sadasosa, jolla planeettamme lämpenee, aiheuttaa valtaisaa hävitystä ja miljoonia kuolonuhreja. Kohtaamamme uhka on niin konkreettinen ja mittakaavaltaan niin suuri, että olemme omakohtaisella tavalla löytämässä ratkaisua jopa Fermin paradoksiksi kutsuttuun tieteelliseen ongelmaan, joka käsittelee sitä, missä ovat kaikki merkit galaksimme muista teknisistä sivilisaatioista. Brutaaleimmassa tapauksessa kyse voi olla vain siitä, että tekniset sivilisaatiot syntyvät elinkelpoisilla planeetoilla verrattaen nopeasti ja vääjäämättä mutta niiden elinikä on lyhyt, koska ne oppivat muuttamaan planeettansa elinolosuhteita nopeammin kuin ymmärtämään, että stabiileista olosuhteista huolehtiminen on elinehto.
Avainasemassa on ekosysteemien tuhon pysäyttäminen ja luonnollisten elinympäristöjen palauttaminen mahdollisimman laajalle. Talousjärjestelmämme riippuvuus fossiilisista polttoaineista ja ylikulutuksesta on katkaistava ja eläinperäisen ravinnon käyttö on ajettava alas radikaalilla tavalla. Moni ei pidä tarvittavista toimenpiteistä ja niiden mittakaavasta mutta heidän ei saa antaa jarruttaa toimien kokonaisvaltaista toteuttamista. Meillä on kuitenkin vain yksi planeetta, yksi ainoa biosfääri, jonka olemassaolosta omakin elämämme on riippuvainen. Tuhoa ei tarvitse hyväksyä ja lastemme tulevaisuus voi vielä olla valoisa. Mutta se vaatii toimia nyt. Viivyttelyyn ei ole enää päivääkään aikaa.
Lisää aiheesta
Musta aukko vai pimeää ainetta?
Galaksien keskustoissa, mukaan lukien oma Linnunradaksi nimetty galaksimme, lymyää supermassiivisia mustia aukkoja, joissa miljardien aurinkojen massa on puristunut Aurinkokuntaa valtavasti tilavampien tapahtumahorisonttien sisään. Yksi suurimmista tunnetuista supermassiivisista mustista aukoista on nimeltään TON 618 -niminen kohde noin 10 miljardin valovuoden päässä. Se on noin 66 miljardin auringon massainen kappale, jonka massiiviselle olemukselle vetää vertojaan vain sen valtaisa etäisyys meistä, lähes näkyvän universumin laidalla. Linnunradan keskustassa on vastaavasti massiivinen musta aukko Sagittarius A*, mutta se massa on vain noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Massa-arvio on saatu tarkkailemalla lähettyvillä olevien tähtien liikettä mustan aukon ympäri — tiedämme valtaisan massan olevan tosiaan pakattuna massaansa nähden hyvin pieneksi kappaleeksi, joka ei juuri säteile valoa.
Mustat aukot ovat tiheimpiä tunnettuja kappaleita maailmankaikkeudessamme, joten on luonnollista olettaa myös galaksien keskusten valtaisien ainetihentymien olevan mustia aukkoja, vaikka niiden havainnointi onkin vaikeaa ja parhaimmillaankin vain hyvin epäsuoraa. Tähtien liike oletetun mustan aukon ympäri kuitenkin paljastaa vain sen massan suuruuden ja sen koon ylärajan, jota tähdet kiertävät. Sellaiset havainnot eivät kerro itse massan luonteesta juuri mitään. Entä, jos olemmekin olleet väärässä?
On toinenkin testattavissa oleva hypoteesi. Tähtien radat oletetun mustan aukon läheisyydessä voidaan selittää jopa hiukan paremmin olettamalla, että mustaa aukkoa ei ole, vaan kyseessä on pimeän aineen partikkeleiden, darkiinoiksi kutsuttujen heikosti vuorovaikuttavien hiukkasten, tiheä muodostelma (1). Oletus on hämmentävä, koska se nojaa hypoteettisiin hiukkasiin, jotka näemme vain niiden vetovoima avulla, mutta itse mustasta aukosta suorat havainnot puuttuvat aivan samalla tavalla, joten on vaikeaa sanoa kumpi hypoteesi sisältää enemmän perusteettomia oletuksia. Darkiinojen valtaisa tihentymä kuitenkin sopii havaintoihin mainiosti ja sillä on toinenkin etulyöntiasema. Pimeä aine havaittiin alkujaan juuri tarkkailemalla galakseja mutta keskittymällä niiden reuna-alueiden tähtien liikkeisiin. Havainnoista kävi ilmi, että tähdet kiertävät galaksien reunamilla nopeampaa kuin voisi olettaa huomioimalla vain galaksin näkyvä aine — siksi ehdotettiin osan massasta koostuvan jostakin pimeästä aineesta, joka ei säteile valoa. Sama pimeä aines sopisi selittämään myös eräiden kaasupilvien käyttäytymistä oletetun mustan aukon lähettyvillä. Mustan aukon olisi pitänyt repiä kaasupilvet kappaleiksi lähellään mutta lauhkeampi pimeän aineen tihentymä ei olisi sitä tehnyt, mikä kävikin ilmi havainnoista.
Tarkkailemalla oman galaksimme keskustaa olemme ehkäpä pääsemässä merkittävän tieteellisen löydön äärelle. Kuuluisat kuvat lähigalaksin M87 kertymäkiekosta osoittavat galaksien ytimissä olevan mustia aukkoja. Mutta muutkin selitysmallit ovat mahdollisia. On ehkäpä jopa mahdollista, että galaksien ytimissä esiintyy sekä mustia aukkoja että niitä ympäröiviä darkiinojen valtaisia joukkoja, jotka kyllä tuntevat gravitaatiovoimat ja massallaan muokkaavat aika-avaruutta itsekin, mutta jotka eivät vuorovaikuta muiden voimien välityksellä. Selvyyden saaminen on ehkä vaikeaa mutta kosmologian ja perusfysiikan tutkimuksen ei kuulukaan olla helppoa. Muutoinhan se olisi jo tullut tehtyä.
Lähteet
Kiertotiellä kohti todellisuutta
Oikeastaan tieteessä ei pyritä totuuteen. Konsensus siitä, miten maailma toimii, lähestyy kyllä asymptoottisesti todellisuutta mutta kukaan ei voi varsinaisesti pyrkiä totuutta kohti. Väite saattaa kuulostaa näennäisen oudolta mutta yksikään tutkija tai tutkimusryhmä ei voi pyrkiä kohti totuutta, koska kukaan ei tiedä missä suunnassa se on. Kuvaamme todellisuutta monilla teorioilla ja malleilla, jotka kaikki ovat vain likimääräisiä kuvauksia todellisuudesta. Ne ovat kaikki pielessä, ainakin jonkin verran, ja kukaan ei tiedä tarkalleen missä todellisuus piileksii, vaikka se olisikin niiden lähettyvillä.
Tieteessä edetään kuten Arthur Conan Doylen dekkarinovelleissa, joissa etsivä nimeltään Holmes koettaa selvittää rikoksia. Periaatteena on, että ”kun eliminoidaan kaikki mahdottomat selitykset, jäljelle jäävä, oli se sitten kuinka epätodennäköihen hyvänsä, on totuus”.
Tiede perustuu yksinkertaistetusti siihen, että eliminoidaan mahdottomat vaihtoehdot, jolloin jäljelle jäävät selitysmallit kuvaavat todellisuutta tarkimmin. Oikeastaan tehdään havaintoja, joihin malleja ja teorioita verrataan. Jokainen havainto tekee huonoista malleista hiukan korostetummin hyviä malleja epätodennäköisempiä ja lopulta jää jäljelle vain hyviä malleja (tai parhaimillaan vain yksi hyvä malli), jotka selittävät havainnot mainiosti. Silloin ei edes pyritty löytämään hyviä malleja, vaan tekemään havaintoja, jotka osoittaisivat mahdollisimman monta mallia huonoiksi. Lopputuloksena päästiin kuitenkin lähemmäksi totuutta. Kun jäljelle jää vain yksi malli, sitä kutsutaan tavallisesti teoriaksi — teoria tarkoittaa tieteessä mallia, joka on koetettu osoittaa vääräksi lukemattomia kertoa mutta joka on selvinnyt jokaisesta yrityksestä kuivin jaloin.
Eksoplaneettojen havainnointi Doppler-spektroskopisin menetelmin tarjoaa esimerkin siitä, mitä tieteellisen tiedon karttuminen tarkoittaa. Menetelmällä on tarkoitus havaita tähden hienoista huojuntaa avaruudessa sitä kiertävän planeetan vetovoiman vaikutuksesta (Kuva 1.). Huojunta havaitaan tarkkailemalla pienenpieniä tähden värin muutoksia, jotka aiheutuvat tutusta Dopplerin ilmiöstä tähden liikkuessa vuoroin meitä kohti ja meistä poispäin. Mutta lähtötilanne on se, että emme tiedä minkälainen planeetta tähteä kiertää ja minkälainen sen kiertorata on — jos planeettaa tai planeettoja edes on. Tavallisesti oletetaan, että kaikki mahdolliset planeetat ja radat ovat yhtä todennäköisiä keskenään ja sen kanssa, että planeettoja ei ole. Teknisessä tieteellisten julkaisujen jargonissa sanotaan usein ennakkoinformaation noudattavan tasaista jakaumaa mutta kyse on todellisuudessa vain maksimaalisesta epätietoisuudesta (ennakkoinformaatio on oma monimutkainen aiheensa, jonka avaaminen ei mahtuisi yhteen lyhyeen tekstiin).
Seuraava askel on tähden havainnointi. Jokainen yksittäinen havainto, jokainen mittaus tähden liikkeestä, kertoo jotakin siitä, minkälaisia planeettoja tähdellä voi olla kiertoradoillaan. Mutta periaatteena on niiden poissulkeminen. Mitä enemmän havaintomateriaalia kertyy, sitä laajemman kirjon erilaisia planeettoja erilaisilla radoilla ne sulkevat pois. Lopulta jää jäljelle vain yksi tai muutama rata ja planeettatyyppi, joiden olemassaoloa havainnot eivät sulje pois. Silloin on havaittu planeetta tai planeettoja. Tieteellisessä mielessä jokainen havainto tekee olemattomien mutta periaatteessa havaittavissa olevien planeettojen olemassaolosta hiukan epätodennäköisempää. Lopulta niiden olemassaolo on niin epätodennäköistä, että voidaan katsoa havaintoaineiston sanovan, ettei niitä ole.
Viimeinen askel on laskea (tietyin oletuksin) kuinka todennäköistä on saada tehdyt havainnot, jos tähteä kiertävät ne planeetat, joiden olemassaoloa ei saatu poissuljettua, verrattuna siihen, että planeettoja ei ole. Jos todennäköisyys on riittävän suuri, vaikkapa yli 99%, voidaan sanoa, että tähdellä on luultavasti kumppaneita. Planeetat, joiden havaitsemiseen mittaustarkkuus ei riitä, voivat edelleen olla olemassa tai sitten eivät. Niistä ei voida sanoa mitään.
Tieteessä periaate on se, että eliminoidaan selitysmallit, jotka eivät sovi havaintoaineistoon ja jotka data siksi saa näyttäytymään epätodennäköisinä. Joskus on vain mahdotonta eliminoida kumpaakaan kahdesta (tai useammasta) selitysmallista, koska ne selittävät havainnot aivan yhtä hyvin. Silloin vedotaan tavallisesti yksinkertaisuuden periaatteeseen. Selitysmalli, joka sisältää vähemmän oletuksia, katsotaan luotettavammaksi. Jos esimerkiksi tähden liikkeen voi selittää yhtä hyvin ilman eksoplaneetan vaikutusta kuin sen kanssa, ei ole perusteltua sanoa, että planeetan olemassaololle on todistusaineistoa. Samaa ajattelua sovelletaan jokaisella tieteenalalla — kosmologiassa ehkäpä kaikkein räikeimmällä tavalla.
Kosmologia pyrkii vastaamaan kysymyksiin maailmankaikkeudesta, sen synnystä, kehityksestä ja olemassaolosta. Pyrkimyksenä on kehittää teoria, joka selittäisi niin maailmankaikkeuden olemassaolon kuin sen kehitystä ja toimintaa sääntelevät luonnonlaitkin. Olemme onnistuneet kehittämään erinomaisia teoreettisia viitekehyksiä maailmankaikkeuden toiminnalle ja osaamme ennustaa niin gravitaation kuin kaikkien muidenkin perusvuorovaikutustenkin toimintaa yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian avulla. Ongelmana vain on, että ne ovat nykymuodossaan keskenään ristiriidassa, joten tarvitaan vielä runsaasti kehitystyötä ennen kuin saamme koko maailmankaikkeutta kuvaavan teoreettisen kuvauksen aikaiseksi. Se olisi koko fysikaalisen maailmankuvamme huipentuma, kaiken teoria, ja teoreettisen fysiikan kliimaksi. Mutta sellaista ei ole.
Fyysikoita ei voi syyttää yrityksen puutteesta. Yksi suurimmista ongelmista vain on, että teoreettisia malleja ja hypoteeseja ei voi erottaa toisistaan. Ei ole olemassa havaintoja tai koejärjestelyjä, joilla voitaisiin havaita malleja toisistaan erottavia tekijöitä. Ei siis ole mahdollista saada mittaustulosta, joka madaltaisi sitä todennäköisyyttä, että yksi tai useampi malli on oikeassa. Erilaisista kompleksisista säieteorioista onkin siksi vitsailtu, että ne eivät ole edes väärässä — ei ole olemassa tapaa tehdä havainto, joka voisi osoittaa ne vääriksi. Jotkut fyysikot ovat sitä mieltä, että puhtaan teoreettinen fysiikka vailla mahdollisuutta tarkastella sitä kokeellisesti havaitsemalla ei ole minkään arvoista. En ole itse valmis aivan yhtä raakaan arvosteluun. Teoreettisen fysiikan kehitys on usein johtanut uuden matematiikan löytämiseen ja teknologinen kehitys kyllä mahdollistaa tulevaisuudessa niidenkin mallien testaamisen, joita nykyisellään on mahdotonta osoittaa vääriksi. Kuitenkin, pelkästään teoreettisia rakennelmia konstruoimalla ei edistetä tiedettä.
Tarvitaan siis mittauksia. Ne ovat tieteessä kaikki kaikessa. Mallien keskinäistä paremmuutta voidaan tarkastella vain todellisuudesta tekemiemme havaintojen kontekstissa. Ja poiketessaan havainnoista liikaa, mallit osoitetaan vääjäämättä heikoiksi todellisuuden kuvauksiksi ja ne saavat väistyä niiden mallien tieltä, jotka eivät poikkea merkittävästi havainnoista. Silloin olemme päässeet taas yhden pienen askeleen lähemmäksi fysikaalista todellisuutta ja ymmärrämme aavistuksen paremmin sen toimintaa.
Vanhin tiede massasukupuuton ja ilmastokatastrofin aikakautena
Kaikki inhimillinen toiminta vaatii resursseja. Pohjimmiltaan jokainen valitsee omalla kohdallaan mihin haluaa käyttää aikansa ja energiansa. Vaikka köyhimmät ja heikoimmat eivät voi valita, vaan joutuvat toimimaan taloudellisten, terveydellisten ja muiden rajoitteiden sitomina, osa ihmisistä on vapaita suuntaamaan resurssinsa haluamiinsa asioihin. Miksi jotkut haluavat viettää aikansa tutkien taivaan tapahtumia? Ja miksi tieteen ja tutkimuksen — ja koko ihmiskunnan — hyvinkin rajallisia resursseja tulisi suunnata tähtitieteellisten kohteiden tarkkailuun?
Tähtitiede on tieteistä vanhin. Ihmisyhteisöille on ollut tärkeää ennustaa vuodenaikoja ja laatia kalentereita. On ollut pakko kyetä määrittämään milloin vilja kylvetään ja milloin joet tulvivat, milloin sateet tulevat ja milloin pakkaset saapuvat. Talvi- ja kesäpäivänseisauksien määrittäminen on ollut tärkeää, ja sitä tarkoitusta varten ensimmäiset tähtitieteilijät tekivät alkeellisella matematiikallaan kalentereita, joita he käyttivät omilla tavoillaan ennustaakseen niin Maan kiertoliikettä Auringon ympäri kuin Kuun liikettä Maan ympäri — vuosituhansien ajan jopa ymmärtämättä ennustamansa fysikaalisen järjestelmän luonnetta.
Tähtitiede on historian saatossa edesauttanut fysiikan, matematiikan ja kemian kehitystä, kun astronomit ovat löytäneet fysikaalisia lakeja, matematiikan totuuksia ja menetelmiä ja jopa alkuaineita, kuten Auringon kaasukehästä ensi kertaa löydetyn heliumin.
Nykyiseen tietämykseen fysikaalisesta maailmasta tähtitiede vaikuttaa lukemattomilla tavoilla. Tähtitieteen havaintojen avulla opimme uutta universumista, alkeishiukkasista ja perusvuorovaikutuksista. Tähtitieteen tulokset auttavat rakentamaan kaiken teoriaa, joka vihdoinkin onnistuisi yhdistämään kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian toisiinsa.
Tähtitieteen tutkimus on teknologian kehityksen eturintamassa, kun rakennamme aina vain parempia ja tarkempia teleskooppeja, instrumentteja, avaruusluotaimia ja niiden mittalaitteita. Rakennamme myös matemaattisia työkaluja tähtitieteen tarpeisiin ja luomme samalla uusia yleishyödyllisiä tapoja analysoida tietoa. Opimme asettamaan omaa sivilisaatiotamme ja biosfääriämme oikeaan kontekstiinsa maailmankaikkeuden mittakaavassa, kun löydämme potentiaalisesti elinkelpoisia planeettoja ja arvioimme elinkelpoisten planeettojen määrää galaksissamme. Vanhin tiede tarjoaa paljon konkreettisia hyötyjä ja vastauksia suuriin kysymyksiin. Mutta riittävätkö ne perusteeksi taloudellisten, materiaalisten ja inhimillisten resurssien suuntaamiseksi taivaan kohteiden tutkimukseen?
Filosofisessa mielessä voidaan ajatella, että yhteiskunta, jolla on varaa sijoittaa puhtaaseen perustutkimukseen ja tieteeseen, jotta oppisimme lisää maailmankaikkeudesta, vailla sen kummempia muita hyötyjä tai tavoitteita, on yhteiskunta, joka on puolustamisen ja suojelemisen arvoinen. Vain tiede ja taide erottavat meidät muista eläinlajeista. Ne ovat inhimillisen elämän ja teknisen sivilisaatiomme suurimmat saavutukset ja kuvastavat sitä, mihin pystymme niin lajina kuin yksilöinä. Siksi tiede on vaalimisen arvoista. Siksi siihen kannattaa sijoittaa tavallisina aikoina.
Vaan emme elä tavallista aikakautta.
Koralliriutat tuhoutuvat, meret happamoituvat, sademetsät häviävät ja elinympäristöt katoavat. Niin ainakin usein ilmaisemme asian mutta kyseessä ei ole passiivinen sattumus tai tapahtuma, joka vääjäämättömästi etenee meidän vain seuratessa voimattomina sivusta. Ihmiskunta muuttaa aktiivisesti itse toimillaan koko planeettaa, sen ekosysteemejä ja geokemiallisia olosuhteita, sekä hävittää lajeja sukupuuttoon yhtä nopeaan tahtiin kuin Maapallon historian suurissa massasukupuutoissa.
Hävitys on yhtä järjestelmällistä kuin kattavaakin. Suomen metsistä alle 5% on luonnontilassa, koska aktiivisesti hävitämme metsiä (Kuva 1.). Globaalisti miljoonat lajit ovat häviämässä ihmisen toiminnan vaikutuksesta. Tuho etenee näennäisen hitaasti, yksi kaadettu metsä ja yksi saastutettu joki kerrallaan, mutta se on silti niin nopeaa, että luonto ei ehdi toipua. Emme anna luonnolle aikaa toipua.
Tuhoamme omaa biologista elossapitojärjestelmäämme — olemme vain yksi biologinen laji muiden joukossa ja siten täysin riippuvaisia biodiversiteetistä ja sen olosuhteita stabiloivasta verkostosta sekä tarjoamista ekosysteemipalveluista. Toimintamme kuitenkin romahduttaa ravintoverkkoja ja kokonaisia ekosysteemejä. Jo merten kasvava hiilidioksidipitoisuus ja sen mukana etenevä happamoituminen saattaa romuttaa meriekosysteemit. Sademetsien häviäminen saattaa muuttua peruuttamattomaksi jo tällä vuosikymmenellä.
Muutamme ilmastoa. Ilmastokatastrofi on karkaamassa käsistä pumpattuamme ilmakehän täyteen hiilidioksidia. Lajimme elinaikana hiilidioksidipitoisuudet eivät ole kertaakaan aiemmin olleet yhtä korkealla kuin nyt. Me emme ole sopeutuneet uusiin olosuhteisiin, kuten eivät ole lukemattomat muutkaan lajit. Ilmastokatastrofi vauhdittaa biodiversiteetin häviämistä ja tuo mukanaan uusia ongelmia kuivuuden, tappavan kuumuuden, tulvien, merenpinnan nousun, voimistuneiden myrskyjen ja muiden katastrofaalisten paikallisten ilmiöiden muodossa.
Taustalla on primitiivisen ihmisapinalajin aivoihin evoluution saatossa rakentunut maailmankuva, jonka taustaoletukset kertovat elinympäristön pysyvän suunnilleen samana vuodesta toiseen. Hitaampaa muutosta emme kykene käsittelemään tai huomioimaan. Historian saatossa se on koitunut useiden sivilisaatioiden tuhoksi, kun niiden edustajat ovat kuluttaneet ympäristönsä luonnolliset resurssit loppuun ja ajautuneet tuhoon. Nyt vain olemme ylittäneet luonnollisten resurssiemme kulutuksen globaalit rajat. Se tarkoittaa biologisessa mielessä vääjäämätöntä populaation romahdusta, mahdollisesti koko teknisen sivilisaatiomme häviämistä.
Olemme teknisenä sivilisaationa kohtaamassa uhkaa, joka on jopa yksi kandidaateista Fermin paradoksin ratkaisuksi. On mahdollista, että teknisistä sivilisaatioista ei ole nähty merkkejä avaruudessa, koska niiden elinikä on keskimäärin erittäin lyhyt. On mahdollista, että tekniset sivilisaatiot oppivat muokkaamaan planeettansa bio- ja geokemiallista tasapainotilaa ennen kuin saavuttavat ymmärryksen aiheuttamansa muutoksen katastrofaalisista seurauksista. Ihmiskunta on nyt saavuttamassa ymmärrystä aiheuttamansa tuhon laajuudesta mutta on hyvinkin mahdollista, että se tapahtuu liian myöhään. Liian moni mittari on jo punaisella ja hälyttää tuhosta, joka on peruuttamatonta ihmissukupolvien aikaskaalassa. Silti, ei ehkä ole vielä liian myöhäistä toimia.
Ihmisyhteisöt ovat historiassa osoittaneet hämmästyttävää kykyä toimia kollektiivina yhteistä uhkaa vastaan. Kokonaisia valtioita on valjastettu rakentamaan ja ylläpitämään sotakoneistoja, kun ne ovat olleet toisten aggressiivisten valtioiden uhkaamia. Voisimme tehdä saman uudelleen. Voisimme mobilisoida riittävän suuren osan yhteiskuntiemme toiminnoista torjumaan aiheuttamaamme ilmastollista ja biologista tuhoa ja rakentaa järjestelmän, jonka perustukset ovat kestävällä pohjalla. Kuten matemaatikot ja fyysikot, jotka kutsuttiin sotakoneiston avuksi toisessa maailmansodassa, voisimme kutsua eri alojen tutkijat toimimaan yhteisen päämäärän saavuttamiseksi. Voisimme valjastaa planeettamme älykkäimmät, mielikuvituksellisimmat ja analyyttisimmat mielet torjumaan sivilisaatiotamme uhkaavaa romahdusta. Siihen saattaa olla edelleen aikaa.
Ehkäpä tähtitieteen tutkimus, kuten monta muutakin sivilisaation selviämisen kannalta toissijaista inhimillisen toimeliaisuuden muotoa, tulisi laittaa tauolle kunnes olemme ratkaisseet akuutit kiisimme. On selvää, että meillä ei ole aikaa selvittää maailmankaikkeuden salaisuuksia keskellä planeettamme elinkelpoisuuden romahdusta. Maailmankaikkeuden tutkiminen loppuu joka tapauksessa, jos muutamme liikaa planeettamme sivilisaation olemassaolon mahdollistavia olosuhteita.
Mutta aivan aluksi olisi saatava talousjärjestelmämme ylläpitämä globaali tuhokoneisto pysähtymään. Meidän on ymmärrettävä, että luonnollisten resurssien ylikulutus, inhimillisen elämän merkityksen määrittyminen ensisijaisesti kulutuksen kautta ja rahallisten arvojen asettaminen kaiken muun edelle ovat avainasemassa aiheuttamassa globaalia tuhoa. Sen ymmärrettyämme voimme ryhtyä korjaamaan vahinkoja.
Ymmärrän tähtitieteen tutkijana, että tekemäni tutkimus on kaikesta potentiaalisesta hyödyllisyydestään huolimatta hyvien aikojen mahdollistamaa luksusta, etuoikeus, jonka on ehkäpä pakko väistyä akuutimpien tieteen menetelmien sovellusten tieltä. Ymmärrän, että tähtitieteen tutkimus ei jatku, jos tekninen sivilisaatiomme katoaa oman tuhoavan toimintansa ansiosta. Toivon, että mahdollisimman moni taloudellista ja poliittista valtaa käyttävä, joille taloudellisten etujen saavuttaminen on kaikkea muuta tärkeämpää, ymmärtäisi, että sama pätee aivan kaikkeen muuhunkin.
Uskon, että maapallon elinkelpoisuuden heikkeneminen on mahdollista pysäyttää. Uskon, että ainoan tuntemamme elinkelpoisen planeetan on mahdollista välttyä päätymästä vain unohdetuksi Fermin paradoksin esimerkkiratkaisuksi. Se on ehkä toiveajattelua mutta muutakaan mahdollisuutta ei ole. Eksistentiaalisen kriisin edessä ei voi luovuttaa. On uskottava optimistisesti siihen, että voimme edelleen muuttaa toimintaamme. Muutoin olemme jo kokeneet sukupuuttomme.
Ehkäpä tulevilla sukupolvilla on parempia mahdollisuuksia sijoittaa taivaankappaleiden, kosmologian, eksoplaneettojen ja mustien aukkojen tutkimukseen. Vanhimpaan tieteeseen ja perustutkimukseen, jolla ei välttämättä saavuteta muuta kuin hitunen uutta tietoa maailmankaikkeudesta. Toivon ainakin, että on, koska se on niitä ainoita asioita, jotka tekevät sivilisaatiostamme säilyttämisen arvoisen.
Kaiken teoria
En koskaan ryhtynyt teoreettiseksi fyysikoksi, koska se on aivan liian vaikeaa. Kvanttikenttäteorian ja yleisen suhteellisuusteorian ymmärtämiseen tarvittavan matematiikan opiskelu tuntui lähinnä siltä kuin olisin ollut kultakala, jolle joku opettaa kertotaulua. Vaikka matematiikka onkin pelkkää logiikkaa, absoluuttisesti tosien tai epätosien seurausten johtamista lähtien jostakin aksioomaattisista alkuoletuksista, käytetyt käsitteet ja työkalut nousevat nopeasti sellaiselle abstraktiotasolle, että niiden ymmärtämiseen vaaditaan runsaan harjoittelun lisäksi erityislaatuisen analyyttista tapaa hahmottaa maailmaa. Tarvitaan hyvää ”matikkapäätä”.
Fysikaalinen maailmankuvamme on ollut kriisissä jo vuosikymmeniä. Tiedämme, että pienimmissä mittakaavoissa käyttämämme kvanttikenttäteoria on auttamatta ristiriidassa suurten mittakaavojen selittäjän, yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Ne ovat valtaisan selitysvoimaisia malleja todellisuudesta ja ovat saavuttaneet statukset teorioina, koska ovat selvinneet kuivin jaloin lukemattomista yrityksistä osoittaa ne vääriksi. Vaikka molemmat teoriat ovat erinomaisia kuvauksia fysikaalisesta maailmasta, ne eivät kuitenkaan voi olla samaan aikaan tosia. Se on ajanut fyysikot ja matemaatikot vuosikymmenten ajaksi tutkijankammioihinsa kehittämään teoreettista kehikkoa, johon mahtuisi samanaikaisesti toimivat piirteet molemmista teorioista. Toistaiseksi kukaan ei ole onnistunut.
Pohjimmiltaan yhteensovittamattomana ongelmana on, että suhteellisuusteoria kuvaa aikaa ja avaruutta jatkumoina, kun taas kvanttikenttäteoria edellyttää kaiken olevan kvantittunutta ja siten diskreettiä. On esimerkiksi olemassa pienin mahdollinen matka, jonka voi siirtyä eteenpäin — niin kutsuttu Planckin pituus. Teorioissa on myös valtava filosofinen ero. Suhteellisuusteoriassa samanlaiset järjestelmät käyttäytyvät aina samalla tavalla kun taas kvanttimekaaniset ilmiöt ovat aina perustavanlaatuisesti satunnaisia, noudattaen vain tiettyjä todennäköisyysjakaumia.
Suhteellisuusteoria kuvaa asioita suurissa mittakaavoissa. Se kuvaa planeettojen, tähtien ja galaksien liikkeitä ja koko maailmankaikkeutta. Kvanttikenttäteoria taas on parhaimmillaan pienessä hiukkasten, atomien ja molekyylien maailmassa. Suhteellisuusteoria on ongelmissa kuvatessaan mikroskooppisia ilmiöitä, ja ennustaa absurdin epäfysikaalisesti äärettömiä energiatiheyksiä vaikkapa mustien aukkojen singulariteeteissa. Kvanttimekaniikka taas on vaikeuksissa suurissa mittakaavoissa ja sen yhtälöt kertovat puhtaan tyhjiön sisältävän maailmankaikkeuden mittakaavassa niin paljon kvanttikentän energiaa, että sen pitäisi romahtaa mustaksi aukoksi vetovoimansa vaikutuksesta. Tilanne on kiusallinen.
Albert Einstein vietti vimeiset vuosikymmenensä koettaen kehittää universaalia teoriaa, joka sisältäisi sekä kvantti- että suhteellisuusteorian erikoistapauksina. Einstein epäonnistui, aivan kuten ovat epäonnistuneet kaikki muutkin teoreettiset fyysikot hänen jälkeensä. Tuloksena on ollut kirjava joukko säieteorioita, jotka ovat saaneet meriittejä lähinnä siinä, että niiden ennusteet eivät ole olleet testattavissa millään olemassaolevilla menetelmillä. Teorioita on pilkattu sanomalla, että ”ne eivät ole edes väärin” — teoriaa, joka ei ennusta mitään kokeellisesti varmennettavaa, ei voida osoittaa virheelliseksi.
Tarvitaan uusia lähestymistapoja ja radikaalisti uudistettua ajattelua. Esimerkin sellaisesta tarjoaa teoreettisen ja laskennallisen fysiikan veteraani Stephen Wolfram. Hän kertoo avoimesti, että meillä saattaa vihdoinkin olla polku kohti kaiken teoriaa. Ja vaikkei olisikaan, niin jo polulle astuminen on mielenkiintoista.
Wolfram kertoi hiljattain löytäneensä jotakin täysin odottamatonta.
Yksinkertaiset säännöt
Joillakin yksinkertaisilla prosesseilla on mielenkiintoinen ominaisuus. Tietyillä reunaehdoilla, hyvin yksinkertaisiin sääntöihin ja reunaehtoihin perustuva prosessi voi johtaa ajan kanssa tilanteeseen, jossa lopputulos on mielivaltaisen monimutkainen. Periaatteessa tilanne on sama koko maailmankaikkeuden kanssa. Hyvin yksinkertaiset säännöt saattaisivat tuottaa lopputuloksenaan sen galaksien, tähtien ja planeettojen kirjon, jonka kykenemme havaitsemaan ainoalta tuntemaltamme elämää ylläpitävältä planeetalta käsin. Mutta mitkä ne säännöt olisivat? Miten maailmankaikkeus toimii? Voisiko koko tuntemamme maailma olla peräisin taustalla vaikuttavista yksinkertaisista prosesseista?
Näyttää siltä, että hyvin yksinkertaisilla säännöillä voi luoda ajan, avaruuden, suhteellisuusperiaatteen, gravitaation ja jopa suuria osia kvanttimekaniikastakin.
Otetaan esimerkiksi sääntö, jossa muutamme aina parit {x, y} ja {x, z} pareiksi {x, z}, {x, w}, {y, w}, {z, w}. Tässä kirjaimet voivat merkitä mitä hyvänsä mutta tärkeää on, että ne ovat erillisiä. Sääntö voidaan esittää kuvaajana, jossa jokainen pari {x, y} on kahden pisteen välillä oleva nuoli.
Tuloksena on uusi piste (w) ja erilainen nuolien verkosto. Jos prosessia jatketaan eteenpäin, kuvaaja verkosto kasvaa, sen yhteydet moninkertaistuvat ja kokonaisuus monimutkaistuu hyvinkin nopeasti.
Yksinkertaisessa esimerkissä lopputuloksena on syntynyt yhteensä 6704 pistettä, jotka on yhdistetty nuolilla säännön edellyttämällä tavalla. Niiden määrittämä verkosto muistuttaa jotakin kompleksista, josta on mahdotonta nähdä mikä sääntö on verkoston taustalla.
Jos maailmankaikkeus — ei vain materia, jonka se sisältää, vaan koko aika ja avaruus, jotka tunnemme — on muodostunut yksinkertaisesta säännöstä, sääntö voisi olla jotakin suunnilleen yhtä yksinkertaista kuin tässä. Kuka tietää mitä saamme aikaiseksi, jos sovellamme samankaltaista yksinkertaista sääntöä 10500 kertaa?
Emme tiedä minkälaisesta säännöstä maailmankaikkeus voisi edes periaatteessa syntyä. Mutta voimme kokeilla erilaisia sääntöjä ja katsoa mitä niistä seuraa. Valitsemalla yksinkertaisia sääntöjä satunnaisesti kaikkien mahdollisten yksinkertaisten sääntöjen joukosta, saadaan erilaisia verkostoja.
Syntyneitä muotoja voi helposti luokitella niiden ominaisuuksien mukaan mutta niiden lopputulokset voi selvittää vain laskemalla. Säännön toistaminen miljardi kertaa on helppoa mutta 10500 kertaan tietokoneemme eivät kykene. Kaikeksi onneksi pienempikin määrä riittää lainalaisuuksien selville saamiseen.
Voisiko olla olemassa sääntö, joka tuottaisi avaruuden, ajan ja materian, jos sitä sovellettaisiin jatkuvasti, lukemattomia kertoja?
Jotkut säännöt kykenevät muodostamaan pintoja ja muotoja, jotka näyttävät kolmiulotteisilta rakenteilta. Jatkamalla säännön soveltamista, verkostot koostuvat yhä tiheämmistä joukoista pisteitä ja niiden välisiä nuolia ja niitä on lopulta mahdotonta erottaa kolmiulotteisista kappaleista. Analogisesti, vesi tuntuu ja näyttää virtaavan jatkuvana virtana, vaikka se koostuukin yksittäisistä molekyyleistä, jotka vuorovaikuttavat tiettyjen kvanttimekaniikan mainiosti kuvaamien lainalaisuuksien mukaisesti. Illuusio avaruuden jatkuvuudesta voisi olla samanlainen aistiemme ja havaintomenetelmiemme rajoitteiden mukanaan tuoma harha.
Tuntemassamme avaruudessa on kolme ulottuvuutta. Miten tiedämme kuinka monta ulottuvuutta abstraktilla pisteiden ja nuolien joukolla on? Kaikeksi onneksi matemaatikot ovat kehittäneet menetelmiä, joiden avulla ulottuvuuksien määrä voidaan laskea. Se liittyy fraktaalien, eli mittakaavastaan riippumattomien järjestelmien kykyyn ”täyttää avaruus” — jos ne esimerkiksi ”täyttävät” kokonaisen kolmiuloitteisen avaruuden, niiden ulottuvuus on 3.
Ulottuvuuksia on oltava makroskooppisessa mittakaavassa kolme. Säännöllä on siis oltava se reunaehto, että se tuottaa kolmiulotteisen rakenteen, jos tarkastelemme sitä suuressa mittakaavassa, joka sisältää lukemattomia pisteitä ja nuolia.
Verkostoilla, joita yksinkertaiset säännöt tuottavat, on myös kaarevuus. Voimme tarkastella kolmiuloitteisten verkostojen kaksiuloitteisen pinnan kaarevuutta analogiana kolmiuloitteisen avaruuden kaarevuudelle. Kaarevuus tuottaa reunaehdot sille, mikä on geodeesi, eli suorin reitti kahden pisteen välillä. Esimerkiksi pallon pinnalla reitti kulkee sen isoympyrää pitkin. Monimutkaisemmassa avaruudessa reitti on monimutkaisempi mutta määritellään edelleen samalla tavalla.
Geodeesi on Einsteinin suhteellisuusteoriassa tärkeä käsite, koska se kertoo kuinka paljon energia kaareuttaa avaruutta ja mitä reittiä valo kulkee. Koko gravitaatio ylipäätään on vain avaruuden paikallista kaarevuutta. On tavallaan pelkkää illuusiota, että esimerkiksi planeetat kiertävät Aurinkoa. Ne vain liikkuvat suoraan Auringon massan ja energian kaareuttamassa avaruudessa tuntemiemme yhtälöiden mukaisesti.
Yksi Stephen Wolframin havainnoista oli se, että jotkin säännöt tuottavat riittävän suuressa mittakaavassa suhteellisuusteorian ennustaman avaruuden kaareutumisen. Eikä vain tyhjälle avaruudelle, vaan myös siinä realistisemmassa tilanteessa, että avaruudessa on ainetta kaareuttamassa sitä. Säännöistä voi siis syntyä suuremman mittakaavan rakenteita, kuten aika-avaruus.
Aika
Mitä on aika?
Puhuttaessa suhteellisuusteorian mukaisesta avaruudesta, on puhuttava ajasta ja aika-avaruudesta. Aika ei selvästi ole samankaltaista kuin avaruus, vaikka suhteellisuusteoria käsitteleekin niitä yhtenäisesti. Ajalla on alku ja ajassa voi liikkua vain eteenpäin. Avaruudella ei ole näistä kumpaakaan ominaisuutta. Aika on luultavasti vain toisiaan seuraavia tapahtumia — kuten toisiaan seuraavia säännön soveltamisia. Silloin aika on toisiaan seuraavien ja avaruutta ja materiaa muokkaavien säännön sovellusten loppumaton virta.
Jos sovellamme sääntöä kuten ennenkin, huomaamme, että joka askeleella sitä on sovellettu tiettyyn kohtaan verkostoa (punaiset nuolet).
On oleellista huomata, että verkoston kohdat, joihin sääntöä sovellettiin valittiin jollakin tavalla sen sijaan, että olisi valittu jotkin toiset kohdat. Saavuttiin siis johonkin tiettyyn lopputulokseen tekemällä valintoja. Se on kuitenkin vain tämän esimerkin ominaisuus. Entä, jos valittaisiin kaikki mahdolliset verkoston kohdat, joihin sääntöä voi soveltaa?
Käy nopeasti ilmiselväksi, että vaihtoehtoisten verkostojen määrä kasvaa valtavaksi jokaisella askeleella. Voidaan kuitenkin havaita myös toinen oleellinen asia. Samaan lopputulokseen voi päätyä useampaa reittiä pitkin.
Jos sääntöä voi soveltaa eri järjestyksessä päätyen silti samaan lopputulokseen, yhdellä tilanteella voi olla useita eri historioita, jotka ovat yhtä mahdollisia.
Jotta esimerkit pysyisivät yksinkertaisina, tarkastellaan verkostojen sijaan kirjainten muodostamia jonoja ja niitä muokkaavia sääntöjä. Ajatellaan vaikkapa sääntöä, jossa {A → BBB, BB → A} — siis kirjaimen A voi aina korvata kirjaimilla BBB ja kirjaimet BB voi aina korvata kirjaimella A. Siitäkin saadaan verkosto.
Esimerkillä on lopputulos, jossa on viisi kirjainta. Neljä B-kirjainta ja yksi A-kirjain ja niiden erona on vain se, missä kohdassa jonoa A-kirjain esiintyy. On jälleen huomionarvoista, että jokaiseen on päästy useita eri reittejä pitkin. Jokaisella jonolla on siis useita vaihtoehtoisia historioita. Oleellista on se, että valittiinpa missä tahansa kohdassa prosessia mikä tahansa säännön sovellus, seuraava kierros voi palauttaa kirjainjonot samanlaisiksi. Sitä kutsutaan ”kausaaliseksi invarianssiksi”, tai yksinkertaisesti ominaisuudeksi, jossa syy ja seuraus voivat olla vain yhdessä ainoassa järjestyksessä. Esimerkiksi, kirjainjonoon ”BBBB” päädytään aina kirjainjonosta ”BBB” riippumatta siitä, kumpi reitti valittiin.
Jos jokin tapahtuma aiheuttaa toisen tapahtuman, joka voi tapahtua vain ensimmäisen jälkeen, on olemassa kausaliteetti. Se on yksi maailmankaikkeutemme ominaisuuksia, joka on sisäänrakennettu omaan ajatteluumme — mikään asia ei voi tapahtua ennen kuin sen aiheuttava tapahtuma on tapahtunut.
Toisena esimerkkinä voi tarkastella yksinkertaista sääntöä {BA → AB}. Sen avulla kirjainjonot, joissa on kirjaimia A ja B, asetetaan aakkosjärjestykseen. Silloin saadaan aina vain yksi lopputulos, jossa kaikki A-kirjaimet ovat ennen kaikkia B-kirjaimia. Mutta lopputulokseen voidaan päätyä mitä tahansa reittiä.
Jono ”AAABBB” seuraa siis aina jonosta ”BBBAAA”, riippumatta tapahtumien tarkasta järjestyksestä. Sitä tarkoittaa ”kausaalinen invarianssi”. Leluesimerkkien sijaan, todellisessa verkostossa on aina monta eri vaihtoehtoista lopputulosta mutta kausaalinen invarianssi on niiden tärkeä ominaisuus.
Suhteellisuusperiaate
Ongelmallista maailmankaikkeuden mallintamisessa on, että on tehtävä ensin havaintoja siitä, mitä mallinnetaan. Emme kuitenkaan voi mennä maailmankaikkeuden ulkopuolelle katsomaan miltä mallinnettava kokonaisuus näyttää, vaan olemme maailmankaikkeuden vankina ja sen säännöille ikuisesti alttiina. Näemme pohjimmiltamme vain kausaalisen tapahtumien verkoston, jonka perusteella koetamme ymmärtää mitä maailmankaikkeudessa tapahtuu, miten se toimii ja mitkä säännöt sen kehittymistä ohjaavat.
Keskeistä on kausaliteetti. Yllä olevan lajittelualgoritmin lopputulos on aina sama riippumatta siitä, mitä reittiä pitkin siihen päädyttiin. Se voi siis näyttää vaikkapa tältä:
Punaiset viivat kuvaavat valittuja ajanhetkiä yhden havaitsijan mielestä. Säilyttäen lopputuloksen aina samana, ajanhetket voi kokea eri tavalla, jolloin tapahtumien järjestys voi näyttää erilaiselta mutta kausaliteetti säilyy. Niin voi käydä esimerkiksi tilanteessa, jossa havaitsija on liikkeessä (katkoviiva):
Havaitsijalle itselleen tilanne näyttäytyy, kuin hän olisi paikallaan ja tapahtumien järjestys olisi muuttunut.
Tämä periaate on matemaattisesti täsmälleen yhtenevä erityisen suhteellisuusteorian suhteellisuusperiaatteen kanssa.
Olemassaolevat eri järjestykset soveltaa sääntöä kuvastavat siis vain sitä, miten eri havaitsijat kokevat tapahtumat. Ei ole kuitenkaan mitään merkitystä, miten havaitsija kokee järjestyksen. Merkitystä on vain sillä, että kausaliteetti säilyy. Silloin myös fysiikan lait ovat samat kaikille havaitsijoille riippumatta siitä missä inertiaalikoodinaatistoissa, tai vakionopeuden liiketilassa, he ovat. Olemme siis johtaneet suhteellisuuusperiaatteen lähtien pelkästä kausaliteetin vaatimuksesta.
On huomionarvoista, että suhteellisuusperiaate ei ole riippuvainen itse sovelletusta säännöstä. Ainoa edellytys sen voimassaololle, on kausaalinen invarianssi — siis se, että jos tapahtuma A aiheuttaa tapahtuman B, kaikki havaitsijat havaitsevat tapahtuman A tapahtuvan ennen tapahtumaa B.
Energia
Tavallisesti, jos fysiikassa puhutaan energiassa, tarvitaan konteksti. Puhutaan jonkin asian energiasta — se mikä on tarkasteltava energiaa sisältävä subjekti, määrittää usein myös sen, miten energia kuvataan. On olemassa esimerkiksi liike- tai kineettistä energiaa, potentiaalienergiaa, lämpöenergiaa ja vaikkapa kuuluisan Einsteinin yhtälön mukaisesti massaan sitoutunutta energiaa. Niin ei tarvitse olla.
Sääntöjen muodostamassa kausaalisessa verkostossa, energia on vain verkoston kausaalisten nuolten virta paikanluonteisten pintojen läpi, kun taas liikemäärä on niiden virta ajanluonteisten pintojen läpi. Mutta mitä kummaa tällainen määritelmä edes tarkoittaa?
Leluesimerkissä paikanluonteiset pinnat ovat vaakasuoria viivoja ja ajanluonteiset pinnat ovat pystysuoria katkoviivoja. Luonnollisesti, tilanne on yksinkertaista 2-ulotteista kuvaa monimutkaisempi tilanteessa, jossa maailmankaikkeutemme tapaan on kolme paikkaulottuvuutta ja aika.
Energia on siis tässä yksinkertaistutetussa kausaalisessa verkostossa kausaalisten nuolten virta alaspäin. Aavistuksen realistisemmassa leluesimerkissä tilanne muuttuu jo silminnähden monimutkaisemmaksi, koska säännön muodostama verkosto on monimutkaisempi. Tulkinta kuitenkin pysyy: energia on kausaalisen invarianssin toteutumista liikuttaessa ajassa ja liikemäärä on sen toteutumista liikuttaessa avaruudessa.
Tällä tavalla kuvattuna, energia ja liikemäärä ovat suhteellisia suureita ja muuttuvat riippuen havaitsijan liiketilasta — aivan kuten suhteellisuusteoria edellyttää. Suhteellisuusteoria myös kertoo, että energia ja aika muuttuvat samalla tavalla, kun nopeus muuttuu. Samoin käy liikemäärälle ja paikalle. Säännön tuottamassa verkostossa suhteellisuusteorian ennustamat ilmiöt ovat siten vain kausalisen invarianssin geometrisia seurauksia. Mutta suhteellisuusteoriassa ajan ja energian konjugaattisuhde on oletuksena — kausaalisissa verkostoissa se on verkostojen ominaisuus. Suhteellisuusteorian edellyttämään käyttäytymiseen, ja siten koko suhteellisuusteoriaan, voidaan siis päätyä lähtien pelkästä syy- ja seuraussuhteesta.
Toinen tapa tulkita tlannetta on, että energia on vain verkoston aktiivisuutta, joka siirtää informaatiota eteenpäin ajassa. Samoin liikemäärä on vain aktiivisuutta, joka siirtää informaatiota avaruudessa. Ne ovat siis saman kolikon eri puolet.
Informaatio voi siirtyä vain kausaliteetin puitteissa. Siten jokin tapahtuma voi vaikuttaa vain niihin tapahtumiin, jotka ovat kausaalisesti sen jälkeen. Lopputuloksena on suhteellisuusteoriankin edellyttämä valokartio, joka tarkoittaa vain niiden paikkojen kokoelmaa, joihin yhden pisteen vuorovaikutus ennättää valon nopeudella. Kartion ulkopuolelle (kuvassa keltaiset tapahtumat) ei voi olla kausaalista yhteyttä.
Huomaamalla, että valonnopeudella etenevän kausaliteetin rajapinta voidaan tulkita massattoman kappaleen vuorovaikutuksena, voidaan nähdä, että kaikki kartion sisällä kuvaa siis sitä, miten massalliset kappaleet käyttäytyvät. Kausaalisten nuolien virta pelkkien paikanluonteisten pintojen läpi — siis ajassa eteenpäin — kuvaa silloin lepomassaa. Voidaan jälleen harjoittaa hiukan geometriaa ja lopputuloksena ovat matemaatttiset kuvaukset niin liikemäärälle kuin energiallekin. Erityisesti energialle saadaan kuuluisa approksimaatio
jossa esiintyvät niin Einsteinin massan ja energian vastaavuus kuin mekaaninen liike-energiakin. Pelkästä kausaalisesta invarianssista on siis seurauksena runsain mitoin tuttua fysiikkaa, jota miljoonat lapset ja nuoret opettelevat kouluissa ja yliopistoissa.
Aika, avaruus, energia ja liikemäärä näyttävät syntyvän vain kausaalisen säännön soveltamisesta syntyvän ja kehittyvän verkoston ominaisuuksina. Niin näyttää syntyvän massakin, joka yleisessä suhteellisuusteoriassa kaareuttaa avaruutta. Kausaalisessa verkostossa näyttää syntyvän täsmälleen samanlainen vaikutus, kun tarkastellaan verkostoa riittävän suuressa mittakaavassa.
Mitä siis aika-avaruus on? Wolframin mallissa se on vain kolmiulotteisen kausaalisen verkoston jatkuvaa päivittämistä, mikä ylläpitää aistiemme avaruudeksi tulkitsemaa ajassa kehittyvää verkostoa. Samoin suureet kuten massa, energia ja liikemäärä ovat verkostossa tapahtuvaa aktiviteettia, kausaliteetin säilyttäviä muutoksia. Kyse on silti vain samasta yksinkertaisen säännön soveltamisesta verkoston eri kohtiin.
Kvanttiteorian ongelma katoaa verkostoissa automaattisesti. Kvanttikenttäteorian tyhjiön energiaksi tulkitut virtuaalihiukkasten syntymiset ja annihiloitumiset ovat verkostossa vain avaruuden rakennetta ylläpitäviä säännön soveltamisia. Ne eivät siten voi romahduttaa maailmankaikkeutta singulariteetiksi — ne muodostavat koko sen havaitsemamme aika-avaruuden jatkumon, jota kutsumme universumiksi.
Entäpä suhteellisuusteorian ongelmakohdat, mustat aukot, joissa energiatiheys kasvaa äärettömäksi ja tekee teoriasta kelvottoman?
Mustissa aukoissa kausaliteetti katkeaa. Mikään tapahtumahorisontin ylittänyt ei voi vaikuttaa mihinkään, mitä on sen ulkopuolella. Sitäkin voidaan kuvata yksinkertaisena verkostona.
Nyt vain verkosto on kahdessa osassa, joita kausaaliset nuolet eivät yhdistä toisiinsa. ulkopuoliselle havaitsijalle tilanne näyttää samalta kuin suhteellisuusteoria edellyttää — tapahtumahorisontin saavuttaminen näyttää kestävän mustaan aukkoon putoavalta kappaleelta ikuisuuden, koska sen ylittäminen on tapahtuma, josta ei voi olla kausaalista suhdetta takaisin havaitsijaan, eikä siten havaintoa.
Kosmologia
Kaikki voi alkaa yhdestä yksinkertaisesta alkutilasta, jota ryhdytään muokkaamaan soveltamalla tiettyä sääntöä. Alkutilastaan verkosto voi muovautua mielivaltaisen monimutkaiseksi ja kasvaa valtaviin mittoihin — kuten universumikin. Mutta ei ole mitään syytä miksi verkosto vain kasvaisi. Se voi kasvaa tai kutistua, muuttua suuremmaksi ja pienemmäksi jaksollisesti, tai muuntua jollakin muulla tavalla. Yksityiskohdat riippuvat vain valitusta säännöstä ja alkutilasta.
Verkostossa voi tapahtua kaikenlaista muutakin mielenkiintoista. Verkoston osat voivat muuttua erillisiksi saarekkeiksi, joita kausaaliset nuolet eivät yhdistä, kuten tapahtuu mustien aukkojen tapauksessa. Verkoston ulottuvuudetkin voivat muuttua — ei ole mitään syytä miksi verkoston on täytynyt olla aina ja kaikkina aikoina kolmiulotteinen, vaikka havaittu lopputulos sitä olisikin.
Varhaisessa maailmankaikkeudessa avaruuden eri osat, ehkä jopa mielivaltaisen kaukana toisistaan olevat osat, ovat olleet kausaalisessa yhteydessä toisiinsa. Tiedämme, koska näemme eri suunnissa avaruuden olevan samankaltainen. Se ei voi johtua pelkästä sattumasta muttei myöskään avaruuden eri osien välisestä vuorovaikutuksesta — edes valonnopeus ei riitä yhdistämään näitä osia kausaalisesti maailmankaikkeudessamme. Siksi on kehitetty kokonainen kokoelma erilaisia kosmologisia malleja inflaatiosta, joka sai avaruuden laajenemaan äkkinäisesti siten, että ennen toisiinsa kausaalisessa suhteessa olleet alueet eivät enää kommunikoineet keskenään. Verkosto, jossa ulottuvuus on alussa valtavan suuri, jopa ääretön, mutta ”lukkiutuu” myöhemmin kolmeen, voisi selittää tämän havainnon automaattisesti, koska ääretönulotteisessa avaruudessa sen kaikki osat ovat kausaalisessa suhteessa toisiinsa.
On mahdollista, että kosmisen mikroaaltotaustan tasalaatuisuus tai suuren mittakaavan galaksijoukkojen suunnilleen tasainen jakautuminen avaruudessa heijastavat maailmankaikkeuden muodostaman verkoston alkuaikojen tapahtumia. Ehkä silloin voisimme nähdä kosmisessa mittakaavassa mikä yksinkertainen sääntö maailmankaikkeutemme muodosti. Ehkä.
Kaikkein pienimmässä mittakaavassa, alkeishiukkaset, joita havaintoihin mainiosti sopiva hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa olevan useita, voivat olla vain erityisiä verkoston muodostaman avaruuden ”klimppejä”, joilla on tiettyjä ominaisuuksia.
Hiukkaset voivat olla aika-avaruuden muodostavan tasaisen verkoston paikallisia anomalioita, jotka koostuvat useista kausaalisista nuolista antaen hiukkasiksi tulkitsemillemme anomalioille ominaisuuksia, kuten energia ja momentti, varaus ja spin. Niiden kvantittuminen voi heijastaa vain hiukkasen muodostavan verkoston anomalian koostumista diskreetistä määrästä kausaalisia nuolia. Silloin myös massa olisi kvanttimekaniikan mukaisesti pohjimmiltaan diskreetti, kvantittunut suure.
Ehkäpä elektroni, yksi tuntemistamme alkeishiukkasista, onkin vain verkoston pisteiden ja kausaalisten nuolien kokoelma. Elektroni voisi koostua vaikkapa 1035 verkoston alkeiselementin yhteisvaikutuksesta. Silloin voisi olla olemassa kokonainen maailma vieläkin pienempiä ’oligoneja’, kuten Wolfram niitä kutsuu, jotka koostuisivat pienemmästä määrästä verkoston alkeiselementtejä ja vuorovaikuttaisivat huomattavasti varsinaisia hiukkasia heikommin tuntemamme materian kanssa. Niitä voisi olla lukuisia erilaisia mutta niillä olisi massa ja ne kokisivat luonnollisesti gravitaation vaikutuksen, joten ne voisivat muodostaa galakseja ympäröivän pimeän aineen, joka tekee galakseista massiivisempia kuin ne voisivat olla, jos ne koostuisivat vain tähdistä, planeetoista, atomeista — tuntemistamme massallisista alkeishiukkasista.
Tämä kaikki on tietenkin spekulointia, koska emme tunne kaiken taustalla olevaa sääntöä emmekä voi varmistua sen oikeellisuudesta johtamalla siitä havaitsemiamme luonnonlakeja.
Kvanttimekaniikka
Voisiko kausaalisen verkoston alkeellisista muutoksista saada alkunsa koko kvanttikenttäteoriaksi kutsuttu teoria vuorovaikutuksista, hiukkasista ja niiden kvantittuneista kentistä? Miten säännön mukaan toimiva verkosto voisi tuottaa aitoa satunnaisuutta, joka on sisäänrakennettuna kvanttimekaniikkaan?
Kvanttimekaniikassa ilmiöt noudattavat todennäköisyysjakaumia — kuuluisa Schrödingerin kissa on laatikossaan samaan aikaan sekä elävänä että kuolleena, eli kahden tilan superpositiossa. Se tarkoittaa vain, että ennen kuin kissaa havainnoidaan, sen todennäköisyys olla elävä on sama kuin sen todennäköisyys olla kuollut. Kissan tilan sanotaan noudattavan tasaista todennäköisyysjakaumaa. Mutta kun havainto on tehty, kissa on joko elävä tai kuollut — ei koskaan molempia.
Analogisesti voisi olla mahdollista, että verkoston muodostuessa yksittäisen säännön sovelluksista, vastaavat todennäköisyysjakaumat muodostuisivat yksinkertaisesti siitä, että on monia vaihtoehtoja sille missä järjestyksessä sääntöä sovelletaan verkoston eri kohtiin. Lopputulos riippuu siitä missä järjestyksessä sääntöä sovelletaan.
Mutta jos tarkastelemme jokaista vaihtoehtoista tilaa, kuten tiloja AA ja ABB ylläolevassa yksinkertaisessa verkostossa, ne ovat molemmat peräisin tilasta AB. On kyse vain siitä, mihin verkoston kohtaan sääntöä sovellettiin. Tilat AA ja ABB ovat ikään kuin superpositiossa — ne ovat tiloja, jotka ovat samaanaikaisesti kummatkin mahdollisia. Piirtämällä kullakin hetkellä superpositiossa olevat tilat ja yhdistämällä vierekkäiset tilat verkoston nuolilla, saadaan kompleksisuudeltaan kasvava kvanttitilojen superpositio.
Nämä kvanttitilojen korrelaatioista kertovat verkostot monimutkaistuvat aina kun sääntöä sovelletaa ja muodostavat — kuten koko verkostokin — lopulta kokonaisen avaruuden. Se ei kuitenkaan ole kuin tuntemamme avaruus, vaan jotakin paljon omituisempaa. Kutsutaan sitä vaikkapa superpositioavaruudeksi.
Superpositioavaruus, kuten tavallinenkin avaruus, on kaareutunut — ilmeisesti hyvinkin voimakkaasti. Wolframin mukaan tämä kaareutuminen on oleellisesti syy kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaatteelle. Tavallisessa avaruudessa on voimassa yleinen suhteellisuusteoria. Ilmeisesti superpositioavaruudessa on voimassa sen vastine, jonka matemaattinen kuvaus on yhtenevä kvanttimekaniikan tärkeän matemaattisen työkalun, viivaintegraalin kanssa. Kuten geodeesit, jotka kuvaavat suorinta reittiä suhteellisuusteoriassa, geodeesit superpositioavaruudessa kuvaavat tapahtumia kvanttimekaniikassa. Oleellista on avaruuden kaareutuminen — geodeeseja määrittää avaruuden kaareutuminen massan ja energian vaikutuksesta ja viivaintegraaleja määrittää superpositioavaruuden kaareutuminen.
Superpositioavaruuden muodostava verkosto on kuitenkin vain verkosto. On olemassa kausaalisten nuolten virta ja sillä on analogia kvanttimekaniikassa. Aika-avaruudessa tapahtuva kausaalisten nuolten virta on energiaa, joka kaareuttaa avaruutta. Superpositioavaruudessa lopputulos on samankaltainen. Siten Einsteinin aika-avaruuden kenttäyhtälöillä on viivaintegraalina tunnettu vastine superpositioavaruudessa. Ja ne molemmat syntyvät vain verkoston kausaalisesta invarianssista.
Tavallisen avaruuden tapaan, superpositioavaruudessa voi olla liikettä. Se vastaa erilaisten kvanttitilojen lomittumista, joka kuvaa eri tilojen välistä korrelaation suuruutta. Lomittumisella, kuten liikkeellä, on maksiminopeus analogisesti valonnopeuden kanssa. Mutta kaikki tapahtumat tapahtuvat verkoston luomassa avaruudessa, joka sisältää sekä aika-avaruuden että superpositioavaruuden.
On vaikeaa löytää tilanteita, joissa relativistiset tapahtumat aika-avaruudessa ja kvantittuneet tapahtumat superpositioavaruudessa olisivat samaan aikaan havaittavissa. Mustat aukot tarjoavat siihen mielenkiintoisen poikkeuksen. Kausaliteetti ja verkoston eri osien yhteydet katkeavat tapahtumahoirisontissa tavallisessa avaruudessa. Aivan samoin käy superpositioavaruudessa. Kvanttitilojen lomittuminen hidastuu tapahtumahorisontissa johtaen kvantti-informaation ”jäätymiseen”.
Mikä on oikea sääntö?
Jos maailmankaikkeus on syntynyt yhdestä yksinkertaiseen alkutilaa lukemattomia kertoja sovelletusta säännöstä, on mahdollista, että aika, avaruus ja kaikki tuntemamme luonnonlait ovat nousseet yksinkertaisen, alati toistuvan prosessin tuhkasta tapahtumien keskiarvoina suuressa mittakaavassa. Mutta mikä voisi olla sääntö, joka tuottaa kolmiuloitteisen avaruuden, laajenevan maailmankaikkeuden, sen luonnonlait ja alkeishiukkaset? Miten saisimme selville, onko jokin tietty sääntö se oikea, jos emme voi soveltaa sitä riittävän montaa kertaa, jotta näkisimme sen muodostavan universumin luonnonlakeineen?
Onko edes mahdollista tarkastella jotakin tiettyä verkostoa — kuten tarkastelemme maailmankaikkeutta — ja päätellä sen rakenteesta mikä sääntö sen taustalla on? Mikä sääntö on esimerkiksi tuottanut seuraavan verkoston?
Ehkäpä ainoa mahdollisuus on syöttää runsaasti erilaisia sääntöjä tietokoneeseen ja antaa koneiden raksuttaa. Tiedämme sen, että sääntö on luultavasti suhteellisen yksinkertainen — muutoin emme olisi voineet löytää luonnonlakeja, fysiikan teorioita, jotka kuvaavat luontoa samalla tavalla kaikissa paikoissa ja kaikkina aikoina. Ainakaan jokainen erillinen paikka ja aika eivät ole poikkeuksina säännössä, kuten eivät ole jokainen elektroni ja fotonikaan, vaan niitä voidaan kuvata menestyksekkäästi samoilla yhtälöillä.
Entä, jos voimassa ovatkin kaikki mahdolliset säännöt? Se toisi mukaan uuden ulottuvuuden, sääntöavaruuden, joka sisältää kaikki mahdolliset säännöt.
Stephen Wolfram ei ainakaan pelkää julkistaa ajatuksiaan ja kutsuukin kaikki halukkaat mukaan projektiinsa, jossa koetetaan selvittää universumimme kirjoittanutta sääntöä. Ei ole takeita onnistumisesta mutta alku on lupaava. Vähintäänkin lopputuloksena on mielenkiintoisia huomioita maailmankaikkeudesta, luonnonlaeista ja tuntemamme fysikaalisen maailman ominaisuuksista sekä siitä miten se on syntynyt.
Ehkäpä saavutamme lopulta myös kaiken teorian.
Muut fyysikot eivät ole vastaanottaneet Stephen Wolframin ajatuksia kritiikittä. Hänen lähtökohdistaan ei pystytä vielä tuottamaan maailmankaikkeuden havaittuja ominaisuuksia. Syynä voi olla se, että oikeaa sääntöä ei ole vielä löydetty tai koska kyseessä on lähtökohtaisesti mahdoton lähestymistapa.
On myös kyettävä tuottamaan ennusteita, joita voidaan käyttää joko ajatusrakennelman todistamiseksi vääräksi tai todistusaineistona sen hyväksi. Vasta selvittyään näistä haasteista, Wolframin rakennelmaa voidaan alkaa kutsua teoriaksi. Ennen sitä, se on vain yksi potentiaalinen maailmankaikkeuden mallinnusyritys monien muiden joukossa.
Kaiken teoria, joka ei ole vielä teoria — eikä edes väärin.
Kirjoitus on mukaelma Stephen Wolframin popularisoidusta tiivistelmästä ”Finally we may have a path to the fundamental theory of physics… and it’s beautiful”. Kaikki kirjoituksen epätarkkuudet ja suoranaiset väärinymmärrykset johtuvat siitä, että en ole teoreettinen fyysikko enkä luultavasti ole kyennyt ymmärtämään kaikkia käsitteitä oikein.
Matka tähtiin
Tutkimus liittyen mahdollisuuksiin matkata ylivalonnopeudella on erittäin mielenkiintoista. On kuitenkin niin, että sellaista ei juurikaan ole, koska valonnopeutta, tuota universaalia nopeusrajoitusta, ei voi ylittää. Kiertotien sen kesyttämiseksi tarjoaa vaikkapa Alcubierren rakettimoottorin tarjoama teoreettinen viitekehys.
Miguel Alcubierren omintakeisena deana on muokata matkaavaa alusta ympäröivää aika-avaruutta siten, että tähtienvälinen matka muuttuu lyhyeksi etäisyydeksi, jonka voi taivaltaa helposti riittävän lyhyessä aikaskaalassa, kuten esimerkiksi ihmisiän keston määrittämissä puitteissa. Jos rakettimoottori toimisi niin, että se kutistaisi aika-avaruutta edessä ja laajentaisi sitä takana, niin minkä tahansa pitkän matkan voisi kulkea näennäisesti valoa nopeammin kuitenkaan ylittämättä valonnopeutta ja rikkomatta universumiimme sisäänrakennettua nopeusrajoitusta.
Pieniä teknisiä yksityiskohtia on valitettavasti edelleen ratkaisematta, kuten se, miten saisimme luotua negatiivista energiaa tai ylipäätään valjastettua suunnilleen Jupiterin massaa vastaavan määrän energiaa yksittäisen avaruusaluksen käyttöön. Ehkäpä oleellisempaa on kuitenkin se havainto, että teknologinen kehitys tekee avaruusmatkoista aina vain kustannustehokkaampia ja mahdollistaa suuremmat matkanopeudet kohti lähitähtiä. Jossakin vaiheessa jonkinlainen matkanteko tähtiin siis tulee jokseenkin väistämättä mahdolliseksi.
Pidän ilmastokatastrofia tai muuta globaaliin sivilisaation tuhoon johtavaa katastrofia parhaana ratkaisuna Fermin paradoksille. Kuten Enrico Fermi asian totesi, jos universumi on täynnä tähtiä, joita kiertävät planeetat, joillakin niistä on luultavasti myös avaruusmatkailuun kykeneviä teknisiä sivilisaatioita. Miksei heistä siis näy merkkiäkään?
Jollemme tuhoa sivilisaatiotamme sitä ennen, on todennäköistä, että ihmiskunta päätyy rakentamaan tähtienväliseen liikenteeseen kykeneviä aluksia. Robottiluotaimia, jotka kykenisivät matkaamaan Aurinkokunnan lähinaapuruston tähtien välillä ja tarkastelemaan lähimmän planeettakunnan Proxima Centaurin planeettaa Proxima b on jo suunnitteilla. Mutta ihmisten lähettäminen tähtienväliselle matkalle olisi aivan toisen suuruusluokan operaatio. Olisiko se mahdollista?
Nykyteknologialla tähtienvälisen matkailun pelisäännöt ovat hyvinkin selvät. Teknologia mahdollistaisi Proxima Centauriin matkaamisen noin 6000 vuodessa, joten kysymykseen tulevat vain ylisukupolviset alukset, joilla lähtijöiden lapset ja lapsenlapset yli sadassa polvessa syntyvät ja kuolevat näkemättä muuta kotia kuin aluksensa. Ottaen huomioon, että ihmislajin kulttuurilliset erityispiirteet muokkautuvat jo yhden sukupolven aikana, toisi kuudentuhannen vuoden eristys Maapallon ihmispopulaatiosta mukanaan valtavan kulttuurillisen muutoksen. Ja se koskisi vain matkaa.
Biologit ovat laskeneet, että matkaan kohti Proxima b:n planeettaa olisi lähetettävä vähintäänkin 98 ihmistä, jotta populaation geneettinen diversiteetti olisi riittävän suurta sen säilymiseksi elinkelpoisena koko 6000 vuoden matkan ajan (1). Riitävän suuren aluksen rakentaminen sadalle matkustajalle olisi kuitenkin vain ensimmäinen murheista.
Otetaan ajatusleikki. Oletetaan, että ihmiskunta lähettää matkaan aluksellisen siirtolaisia ja he saapuvat perille 6000 vuoden kuluttua. Koska teknologinen kehitys jatkaa Maapallolla kulkuaan, on 1000 vuoden kuluttua mahdollista lähettää matkaan alus, joka on perillä vain puolessa ajasta, 3000 vuodessa. Silloin siirtolaisemme päätyisivät kohdeplaneetan, ehkäpä Proxima b:n, kiertoradalle, vain huomatakseen, että planeettaa ovat asuttaneet teknologisesti kehittyneemmät ihmiset jo 2000 vuotta.
Se olisi valtaisa pettymys siirtolaisille, joiden esi-isät lähtivät ensimmäisenä kohti tähtiä kotiplaneetaltamme, ja jotka vain asetettaisiin karanteeniin potentiaalisina tartuntatauteja tuovina tulijoina tai jopa lähetettäisiin takaisin paikallisen äärioikeiston noustua valtaan ja toteutettua ”rajat kiinni” -politiikkaa.
Matkaanlähdön ajankohta olisi suunniteltava ottaen huomioon sen hetkinen teknologia ja odotettavissa ja saavutettavissa oleva teknologinen kehitys, mikä vaikuttaa äärimmäisen hankalalta optimointitehtävältä. Lisäksi olisi saatava avaruusaluksella sukupolvia selvinneen siirtokunnan jäsenet haluamaan uuden planeetan kolonisointia vielä sukupolvienkin jälkeen, eikä esimerkiksi pitämään sitä vastenmielisen moraalittomana muiden biosfäärien hyväksikäyttönä.
Mutta vaikka matkaan lähimmälle tähdelle menisi 6000 vuotta, tähtienväliseen siirtolaisuuteen halukkaat ihmiset olisivat asuttaneet kaikki galaksimme elinkelpoiset planeetat viimeistään parissa miljoonassa vuodessa — todellinen silmänräpäys verrattuna siihen ainakin 10 miljardin vuoden aikaan, jona planeettoja on ollut olemassa. Siksi Fermikin kysyi missä kaikki ovat.
Ehkäpä olen oikeassa ja kaikki tekniset sivilisaatiot oppivat muokkaamaan planeettansa elinolosuhteita ennen kuin ymmärtävät aiheuttamansa muutoksen merkityksen omalle tulevaisuudelleen. Ja ehkäpä juuri siksi yksikään sivilisaatio ei ole saanut Alcubierren moottoria toimimaan. Taikka löytänyt mitään muutakaan tapaa matkata tähtiin. Tiedämme, koska emme ole nähneet heistä vilaustakaan.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 