Kirjoitin edellistä edellisessä merkinnässä siitä, miten suppea ja yleinen suhteellisuusteoria ovat muuttaneet käsitystä ajasta, erityisesti siitä miten ne ovat avanneet mahdollisuuden aikamatkailuun. Myös kvanttifysiikka on mullistanut käsityksen ajasta.

Merkittävin kvanttifysiikan mukanaan tuoma muutos liittyy siihen, että maailma ei ole deterministinen. Vaikka tietäisi systeemin alkutilan täsmällisen tarkasti, sen lopputila ei ole ennustettavissa. On mahdollista ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä saadaan mitäkin mittaustuloksia. Ennen kuin mittaus tehdään, systeemin tila ei ole määrätty, se vastaa osittain yhtä mittaustulosta, osittain toista. Vasta mitattaessa systeemi asettuu määrättyyn tilaan. (Tämä on varsin yksinkertaistava kuvaus; tarkemmin aiheesta täällä.)

Epädeterminismin takia kvanttimekaniikan kuvaama maailma ei ole ennalta valmis. Tulevaisuus on olemassa vain mahdollisuuksien merenä, joka muuttuu kiinteäksi menneisyydeksi hetki hetkeltä, kun yksi vaihtoehto toteutuu ja lukemattomat muut katoavat olemattomiin. Kuten inhimillisessä kokemuksessa –mutta toisin kuin klassisessa fysiikassa–  kvanttimekaniikassa on erityinen tapahtuminen, prosessi jossa menneisyys muuttuu tulevaisuudeksi.

Ei ole aivan ilmeistä, miten ajassa matkaaminen voisi toimia kvanttimekaanisessa maailmankaikkeudessa. Toisin kuin deterministisessä yleisessä suhteellisuusteoriassa, ei ole ennalta määrättyä, koska aikakone rakennetaan ja minne sillä matkustetaan, eikä aika-avaruus ei ole valmis ajaton kokonaisuus. Jos menneisyyden yhdistää tulevaisuuteen aikamatkalla, miten se voi säilyä muuttumattomana?

Stephen Hawking on leikillisesti esittänyt, että on varmaankin olemassa aikajärjestyksen suojelemispalvelu (Chronology Protection Agency), joka on vastuussa siitä, että menneisyys säilyy koskemattomana, koska emme ole havainneet turisteja tulevaisuudesta. Tämä tunnetaan aikajärjestyksen suojelemiskonjektuurina (chronology protection conjecture).

Konkreettisesti ehdotuksessa on kyse siitä, että kvanttiefektit estävät aikamatkailun, esimerkiksi siten että ne romahduttavat menneisyyteen johtavan tunnelin ennen kuin se ehtii muodostua tai siitä ehtii kulkea läpi. Tällöin yleisen suhteellisuusteorian aikamatkailua kuvaavat ratkaisut olisivat teorian pätevyysalueen ulkopuolella, eivätkä siis kuvaisi todellisuutta. Samaan tapaan klassisessa mekaniikassa on ratkaisuja, joissa liikutaan valonnopeutta nopeammin, mutta ne eivät kuvaa todellisuutta, koska suhteellisuusteoriassa valoa nopeampi liike ei ole mahdollista.

Aikajärjestyksen suojelemiskonjektuuria ei voida toistaiseksi vastaansanomattomasti kumota eikä varmentaa, koska ei tiedetä, miten kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria tarkalleen sopivat yhteen, eli millainen on kvanttigravitaatioteoria. On kuitenkin olemassa teorioita, joiden ajatellaan tavoittavan osan yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhteispelistä. Tutkituin näistä on semiklassinen kvanttigravitaatio, jossa aika-avaruutta käsitellään yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti ja ainetta kvanttifysikaalisesti. Tässä teoriassa kvanttiefektien ja aikamatkustuksen välillä on kovasanainen dialogi. Tyypillisesti kvanttimekaaninen aine käyttäytyy villisti lähestyttäessä aikamatkailuun liittyvää aluetta, esimerkiksi sen energiatiheys kasvaa äärettömän isoksi. Jos vaaditaan, että teoria on hyvin määritelty, niin tämä kieltää aikamatkailun kokonaan. Mutta semiklassinen kvanttigravitaatio on vain approksimaatio, ja voi olla, että se ei päde aikamatkailuun liittyvissä alueissa. Vaikuttaakin siltä, että vastaus kysymykseen onko aikamatkailu mahdollista (ja jos ei, niin miksei?) edellyttää parempaa ymmärrystä kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämisestä.

Aika on muutenkin vaillinaisesti ymmärretty todellisuuden piirre, ja siihen liittyy useita kiehtovia kysymyksiä. Jos menneisyys on kiinteä, voiko ajatella meidän olevan siellä kokemassa asioita, aivan kuten yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa, vai liittyykö kokeminen erottamattomasti kvanttimekaaniseen tapahtumiseen? Tarkoittaako jälkimmäinen vaihtoehto sitä, että tietoisuus on pohjimmiltaan kvanttimekaaninen ilmiö? Mikä rooli tulevaisuuden ja menneisyyden erossa on sillä, että hiukkasfysiikan heikot vuorovaikutukset rikkovat kaikkien muiden fysiikan lakien noudattavan ajankääntösymmetrian? (Klassisen fysiikan, yleisen suhteellisuusteorian ja muiden hiukkasfysiikan vuorovaikutusten lait näyttävät samalta, menipä aika kumpaan suuntaan tahansa.) Miksi ylipäänsä on olemassa aikaulottuvuus, joka on erilainen kuin paikkaulottuvuudet? Miksi aikaulottuvuuksia on vain yksi, mutta paikkaulottuvuuksia ainakin kolme?

Voi olla, että näihin kysymyksiin vastaaminen edellyttää täyden kvanttigravitaatioteorian kehittämistä. On luultavaa, että tämä puolestaan muuttaa käsitystämme ajasta yhtä perustavanlaatuisella tavalla kuin suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka aikanaan. Ennen kuin yleinen suhteellisuusteoria paljasti gravitaation olevan aika-avaruuden kaarevuuden ilmentymä, ei olisi osannut arvata, että painovoima liittyy aikamatkailuun. Kvanttifysiikan epämääräisyys osaltaan mullisti käsityksen todellisuudesta perinpohjaisemmin kuin mitä olisi pystynyt kuvittelemaan. On mahdotonta etukäteen sanoa, millaisia käsitteitä tarvitaan todellisuuden mallintamiseksi vielä hienosyisemmin.

Kommentit (14)

Pyry Kontio

Hei, kiitos taas mielenkiintoisesta blogauksesta. Olen viime aikoina lueskellut fysiikasta kansantajuisesti englanniksi (ja katsonut youtube-videoita! 60 Symbols ( http://www.youtube.com/user/sixtysymbols ) ja Veritasium (http://www.youtube.com/user/1veritasium) ovat molemmat todella hyviä ja mielenkiintoisia kanavia.)

Siksi tulikin mieleeni, että vastaako mainitsemasi "tapahtuminen" tätä englanninkielistä termiä: https://en.wikipedia.org/wiki/Action_(physics) Luin juuri joku aika sitten, että Planckin vakio on itseasiassa tuon "actionin" kvantti. Suomenkielinen Wikipedia tarjoaa käännökseksi "aktiota". En muista, että ainakaan lukiossa olisi sanallakaan mainittu moista suuretta. Onko se suure?

Syksy Räsänen

Pyry Kontio:

Ei, tapahtumisella ei tässä ole mitään tekemistä aktion kanssa. En mene aktioon sen enempää, koska se ei liity merkintään.

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Juttu ei ole ilmaiseksi luettavissa, eikä kvanttimekaniikan tulkinta ole merkinnän keskiössä (vaikka aiheeseen liittyykin), joten jääköön sikseen.

Pentti S. Varis

Syksy kirjoitti: "Miksi ylipäänsä on olemassa aikaulottuvuus, joka on erilainen kuin paikkaulottuvuudet? Miksi aikaulottuvuuksia on vain yksi, mutta paikkaulottuvuuksia ainakin kolme?"

Jo kauan sitten pohdittiin, voisiko aika olla 3-ulotteinen kahden aikaulottuvuuden esimerkiksi käperryttyä huomaamattoman pieniksi. Esimerkiksi Chen on sitä mieltä, että ajan 3-ulotteisuuden olettaminen tekee mahdolliseksi kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian yhdentävän teorian

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0510010

Psykologinen aika saattaa olla tietoisuuden kvanttifysikaalisen olemuksen indikaattori. Kvanttifysiikka ikään kuin riistää materialta aineellisuuden ja tekee siitä "eteeristä", matemaattista. Ajatus aineen konvertoitumisesta elämykselliseksi tietoisuudeksi on monesta vastenmielinen. Sama vastenmielisyys ei ehkä koskekaan relaatioina ymmärrettyä olevaista, mihin kvanttifysiikka viittaa.

Jos vielä omaksutaan aikansa huippufyysikon ja Wolfgang Paulin kummisedän Ernst Machin kiivaasti kannattama neutraali monismi, ei em. konvertoitumista edes tarvita, koska NM:n ydinidea on subjektittomuus

http://plato.stanford.edu/entries/neutral-monism/

Kimmo Rouvari

Aika on epämääräistä, minkä vuoksi ajasta puhutaan tieteissä paljon. Aika ulottuvuutena poikkeaa oikeista ulottuvuuksista siinä mielessä että se on keksitty ja sen määritelmä pohjautuu olemassa olevan 3-uloitteisen todellisuuden mekanismeihin. Pelkästään tässä vaiheessa pitäisi hälytyskellojen jo soida.

Onneksi "keksityn" ajan suhteellisuus on sentään ymmärretty. Matemaattinen leikittely ei kuitenkaan mahdollista todellisuudessa ajassa taaksepäin vievää laitetta. Nykyisyys muuttuu nopealla vauhdilla hiukkastasolla uuteen tilaan, jossa on menetetty hiukkasten entinen entanglement ja uusia luotu.

Pylkkänen

Miksi ylipäätään on mitään olemassa, kun oletettavampaa olisi, ettei olisi mitään?

Ja mitä tämä mitä on? Pohjimmiltaan ei mitäänkö?

Eikö se ole kaiken lisäksi nykytieteen tulkinta olevaisuudesta? Mitään ei ole?

jaakko

Eikö kaikessa ole värähtelyä joka pohjimmiltaan on ääntä tai ainakin tuottaa sitä. Onko kaikki ääntä? Värähtelynkin tarvitaan energiaa joten onko kaikki energiaa jos jatketaan hiukkasten pilkkomista? Värähtelevätkö kappaleen hiukkaset samoin sähkö- ja lämpöenergian vaikutuksesta?

Pentti S. Varis

"Miksi aikaulottuvuuksia on vain yksi, mutta paikkaulottuvuuksia ainakin kolme?"

Julian Barbour on spekuloinut ajan illusioluonteisella olemattomuudella. Muistuu mieleen Maldacenan spekulaatiot gravitaation illuusioluonteesta. Barbourin mukaan suhteellisuusteoriassa on kätkettynä näkemys illusorisesta ajasta. Miten on?

http://platonia.com/ideas.html

The end of time
Closely related to this work is my study of time. Mach remarked “It is utterly beyond our power to measure the changes of things by time. Quite the contrary, time is an abstraction at which we arrive through the changes of things.” Thus, time as such does not exist but only change. Much of my research has been devoted to the implications of this insight. I have shown how, alongside the relativity of motion, the notion of time as change can be built into the foundations of dynamics. In fact, this idea is contained in a hidden form within general relativity. Its potential consequences for the yet to be found quantum mechanics of the universe are profound. The quantum universe is likely to be static. Motion and the apparent passage of time may be nothing but very well founded illusions. This is the thesis of The End of Time (books), which is aimed both at the general reader and physicists.

Šamaani

Aluksi haluan kiittää näistä kahdesta loistavasta aikaa koskevasta kirjoituksesta! Olen pohdiskellut juuri samoja kysymyksiä ja nyt tartuit juuri samaan aiheeseen. Mietin että universumihan ei "koe" olevansa vuodessa 2013, tai ylipäätään missään hetkessä. Vaan tämä hetki tulee ihmisten subjektiivisesta kokemuksesta. Mutta tästähän seuraisi se että universumi olisi jo "valmis". Niin kuin edellisen merkinnän suhteellisuusteorian deterministinen tulkinta antaa olettaa. Silti meillä ainakin on vähintään illuusio vapaasta tahdosta ja kvanttihiukkaset ovat aidon ennustamattomia. Tämä taas luo mielikuvan universumista joka on alati muuttuva ja on kokoajan samassa ajassa, vain muuttuen. Siksi aikamatkustus on mahdotonta, sillä mennyttä ei enää ole, se on muuttunut nykyiseksi. Onko ajan olemassaololle mitään perusteluita?

käyttäjä-9495
Liittynyt31.8.2015
Viestejä1

Aika mahdollistaa kaiken olemassaolon. Ilman aikaa ei atomit värähtelisi, kvantit eivät keskustelisi keskenään, mikään ei liikkuisi. Vallitsisi ikuinen pimeys absoluuttisessa nollalämpötilassa. Aika ei kuitenkaan ole vakio, vaan se venyy kuin kuminauha, tilanteen mukaan, kuten jo Einstein tiesi.

Aikaa ei voi kyseenalaistaa vain siksi, että sitä ei voi haistaa, maistaa tai koskettaa.

Goswell
Liittynyt8.3.2010
Viestejä8367
TIMO TOIVONEN

Aika mahdollistaa kaiken olemassaolon. Ilman aikaa ei atomit värähtelisi, kvantit eivät keskustelisi keskenään, mikään ei liikkuisi. Vallitsisi ikuinen pimeys absoluuttisessa nollalämpötilassa. Aika ei kuitenkaan ole vakio, vaan se venyy kuin kuminauha, tilanteen mukaan, kuten jo Einstein tiesi.

Aikaa ei voi kyseenalaistaa vain siksi, että sitä ei voi haistaa, maistaa tai koskettaa.

Kääntäisin kyllä toisinpäin, kaikki mahdollistaa ajan olemassaolon, jos mikään ei muuttuisi aikaa ei olisi.

Aika on aina seuraus, ei koskaan syy.

Minun mielestä noin.

jussipussi
Liittynyt6.12.2009
Viestejä25004
Goswell
TIMO TOIVONEN

Aika mahdollistaa kaiken olemassaolon. Ilman aikaa ei atomit värähtelisi, kvantit eivät keskustelisi keskenään, mikään ei liikkuisi. Vallitsisi ikuinen pimeys absoluuttisessa nollalämpötilassa. Aika ei kuitenkaan ole vakio, vaan se venyy kuin kuminauha, tilanteen mukaan, kuten jo Einstein tiesi.

Aikaa ei voi kyseenalaistaa vain siksi, että sitä ei voi haistaa, maistaa tai koskettaa.

Kääntäisin kyllä toisinpäin, kaikki mahdollistaa ajan olemassaolon, jos mikään ei muuttuisi aikaa ei olisi.

 

Aika-avaruus. Voi toki olla emergenssi.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto