Aikamatkustus

Aikamatkustus (myös aikamatkailu ja matkustaminen ajassa) tarkoittaa aineen liikkumista ajassa eteen- ja/tai taaksepäin. Yleensä sillä tarkoitetaan ihmisen matkustusta ajassa. Fyysikot eivät ole yksimielisiä siitä, onko tällainen liikkuminen ajassa ylipäänsä mahdollista, mutta aikamatkailun mahdottomuutta ei ole todistettu. 
Mikäli matkustaminen ajassa on mahdollista, se aiheuttaa monia käsitteellisiä ongelmia, aikaparadokseja. Todennäköisesti tunnetuin aikaparadoksi on niin sanottu isoisäparadoksi, joka koskee menneisyyden muuttamista.

Aika fysiikassa

Fysiikassa perussuure aika (tunnus t) määritellään tapahtumien välisenä etäisyytenä aika-avaruuden neljännellä akselilla. Albert Einsteinin suppean suhteellisuusteorian mukaan aikaa ei voi esittää muuten kuin aika-avaruuden osana. Tapahtumien välinen etäisyys riippuu tapahtumia tarkkailevien havainnoijien suhteellisesta nopeudesta tapahtumaan nähden. Yleinen suhteellisuusteoria muutti ajan määritelmää vielä enemmän esittämällä kaareutuneen aika-avaruuden käsitteen. Ajan kuluessa eteenpäin eristetyssä järjestelmässä entropia eli haje kasvaa aina, joten entropian kasvusta voidaan päätellä ajan suunta. Normaalisti syysuhteen mukaisesti syy on myös aina ennen seurausta.
Ajan voi käsittää myös nopeudeksi, jolla eri ilmiöt tapahtuvat. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan esimerkiksi suuressa painovoimakentässä aika kuluu hitaammin kuin tätä pienemmässä painovoimakentässä, mikä näkyy esimerkiksi kemiallisten reaktioiden ja kellojen käynnin hidastumisena. Ihmiset eivät kuitenkaan voi huomata ajan kulumisessa tapahtuvia muutoksia lähiympäristössään, sillä ihmisen aivot ja havainnointi toimivat samalla aikaan sidotulla nopeudella.

Aikamatkailun ajatuksen historiaa

Vuonna 1949 itävaltalainen matemaatikko Kurt Gödel ”löysi” uudentyyppisen aika-avaruuden, joka antoi ensimmäisiä viitteitä fysiikan lakien mahdollisesta aikamatkustuksen sallimisesta. Gödelin teoreettisessa kaikkeudessa oli erikoisena piirteenä tämän kaikkeuden pyöriminen. Siinä saattoi yleisen suhteellisuusteoriankin mukaan lähteä aikamatkalle ja palata ennen lähtöään, vaikka suhteellisuusteorian kehittäjä Albert Einstein oli itse sitä mieltä, etteivät hänen teoriansa sallineet aikamatkustuksen mahdollisuutta. Gödelin laskelmat eivät kuitenkaan mahdollista aikamatkailua siinä kaikkeudessa, jossa me elämme, sillä tutkijat ovat todistaneet, ettei kaikkeus pyöri. Lisäksi Gödel oletti laskuissaan, että Einsteinin kosmologisella vakiolla olisi nollasta poikkeava arvo, mistä kaikki tutkijat eivät ole nykyaikana yksimielisiä. 
Gödelin esittämien ajatusten jälkeen on löydetty lisää mahdollisuuksia, jotka mahdollistaisivat aikamatkustuksen rikkomatta yleistä suhteellisuusteoriaa. Tällaisia aikamatkustuksen sallivia ilmiöitä voisivat olla esimerkiksi pyörivän mustan aukon sisus tai kaikkeus, jossa kaksi niin sanottua kosmista jännettä ohittaa toisensa hyvin suurilla nopeuksilla. Äärimmäisen ohuet ja huippupitkät kosmiset jänteet ovat kaikkeuden alkuhetkillä syntyneiden symmetriarikkojen tuottamia.

Madonreiät ja kosmiset jänteet

Fysiikan lait tekevät valoa nopeammasta liikkumisesta mahdotonta, mikä samalla estää aineen matkaamista ajassa tällä perusteella. Tämä ei kuitenkaan todista aikamatkustusta mahdottomaksi, koska suhteellisuusteoria ei kiellä aika-avaruuden käpristymistä. Mikäli aika-avaruus ajatellaan kumisena kalvona, jota mikä tahansa massiivinen kohde taivuttaa jonkin verran, voidaan ajatella, ettei kyseinen kalvo ole täysin suora. Tarpeeksi käpristyneen kalvon voidaan ajatella olevan monikerroksisesti taiteltu. Jos taitellun kalvon ”ylimmäisessä kerroksessa” sijaitsee tarpeeksi raskas huippumassiivinen kohde kuten mustien aukkojen sisuksissa mahdollisesti esiintyvä singulariteetti, sen massa saattaa riittää tekemään aukon aika-avaruuteen. Tätä aukkoa pitkin olisi teoriassa mahdollista siirtyä ylimmäisestä kerroksesta alempiin kerroksiin äärimmäisen nopeasti. Koska suhteellisuusteoria mahdollistaa ajan nopeuden erilaisuuden eri paikoissa, voisi aika toisen aukon suulla kulkea eri tahtiin kuin muodostuneen tunnelin toisessa päässä. Tällöin aukkojen välillä nopeasti matkaava havaitsija siirtyisi hetkessä toiseen aikaan ja aikamatkustus toteutuisi. Tällaisia aikamatkustuksen mahdollistavia ”tunneleita” aika-avaruuden eri pisteiden välillä kutsutaan nimellä madonreiät.
Aikamatkustus voisi ainakin teoriassa olla mahdollista myös kosmisten jänteiden avulla. Aika-avaruus on jänteen ulkopuolella laakea, mutta jänteen kohdalla se katkeaa teräväksi reunaksi. Stephen Hawking on verrannut kosmista jännettä paperista leikattuun kartioon. Kun paperisesta ympyrästä leikataan irti sektori, voidaan tämä irtileikattu pala taivuttaa kartioksi. Kartiopinnan aika-avaruus on tällöin laakea, koska se on samasta paperista kuin alkuperäinenkin ympyrä, mutta kartion kärjessä aika-avaruus on kaareutunut. Tämä voidaan huomata siitä, että kartion kärjestä tietylle etäisyydelle piirretyn ympyrän kehä on lyhyempi kuin sellaisen ympyrän kehä, joka on piirretty alkuperäisen ympyrän keskipisteestä tälle samalle etäisyydelle. Tämä johtaa siihen, että kärjen ympäri kierrettäessä matka ei ole yhtä pitkä kuin alkuperäisen laakean aika-avaruuden perusteella voisi olettaa, vaan lyhyempi. Yksittäinen kosminen jänne aiheuttaa samanlaisen lyhenemisen, sillä laakeasta aika-avaruudesta leikkautunut palanen lyhentää jänteen ympäri kuljettavaa matkaa muuttamatta jänteen suunnasta mitattua aikaa tai etäisyyttä. Tämän vuoksi yksittäinen kosminen jänne ei voi aiheuttaa aikamatkailuun vaadittavia aikasilmukoita, mutta kahden jänteen kohdatessa tilanne on toinen. Tällöin ensimmäisen jänteen aika ja avaruus vaikuttavat toisen jänteen ajan suuntaan. Mikäli kosmiset jänteet liikkuvat toistensa suhteen lähes valonnopeudella, molempien jänteiden ympäri kierrettäessä voidaan mahdollisesti matkustaa menneisyyteen.

Näennäinen matkustaminen tulevaisuuteen suurien nopeuksien avulla

Suhteellisuusteorian mukaan on periaatteessa mahdollista näennäisesti matkustaa tulevaisuuteen, mutta tämä ei ole käytännössä mahdollista, koska tarvittavaa tekniikkaa ei ole. Näennäisen tulevaisuuteen matkustamisen teoreettiset perusteet on tunnettu jo 1900-luvun alusta lähtien, jolloin fyysikko Albert Einstein julkaisi suhteellisuusteoriansa. Einsteinin keksiessä ajan kulun nopeuden riippuvan havaitsijan nopeudesta hän tuli samalla luoneeksi tulevaisuuteen suuntautuvan aikamatkustuksen perusteet. Mikäli ihmiskunnan tekniikan taso olisi tarpeeksi korkea, voisi ihminen näennäisesti matkustaa tulevaisuuteen, kun olisi rakennettu hyvin suurilla nopeuksilla liikkuva ja jo valonnopeutta lähestyvä avaruusalus, jolla hän poistuu Maapallolta. Aika kuluisi eri tahtiin avaruudessa liikkuvan avaruusaluksen ja Maapallon suhteen. Tämän vuoksi kyseinen matkaaja tuntisi vain pienen hetken kuluneen, vaikka Maassa olisi kulunut hyvinkin pitkä aika. Esimerkiksi jos avaruusaluksen nopeus on 99,9999999996 prosenttia valonnopeudesta ja alus viipyy avaruudessa päivän, on sen palatessa Maassa kulunut tuhat vuotta paikallista aikaa. Tämä ajan hidastuminen nopeuden kasvaessa on todistettu käytännössä oikeaksi, vaikkakin huomattavasti pienemmässä mittakoossa. Mittaamalla hiukkaskiihdyttimissä liikkuvien myonien hajoamisnopeuksien kestoa suhteessa hitaasti liikkuvien myonien vastaaviin elinkaarien pituuksiin, ovat mittaustulokset olleet suhteellisuusteorian mukaisia. 
Niin sanottu kaksosten paradoksi on usein toistettu havainnollistus siitä, mitä tällainen aikamatkustus merkitsisi. Tarinassa toinen nuori kaksonen jää maan päälle ja toinen lähtee valtavan nopealla aluksella avaruuteen. Toisen kaksonen palaa maan päälle ja on edelleen nuori, mutta toinen on maan päällä tullut jo vanhukseksi.
Ihmiskunnan tekniikan taso ei riitä tarvittavilla nopeuksilla liikkuvien alusten rakentamiseen. Vaikka sopivalla vauhdilla liikkuva avaruusalus voitaisiinkin rakentaa, kiihdytys suureen nopeuteen kestäisi hyvin pitkään, sillä ihmisen keho ei kestäisi suurta kiihdytystä.

Suhteellisen ja todellisen aikamatkan erot

Aikamatkat voidaan jakaa kahteen tyyppiin, joista toista voidaan pitää suhteellisena aikamatkustuksena ja toista ”todellisempana” matkustamisena ajassa. 
Matkustaminen tulevaisuuteen suurien nopeuksien avulla on suhteellista aikamatkustamista. Aikamatka toimisi ainakin teoriassa tässä tapauksessa, koska matkustava havaitsija ei suoranaisesti muuttaisi ajan kulkua, vaan pikemminkin nopeuttaisi sitä suhteessa toisiin kappaleisiin. Suhteellista aikamatkustusta voidaan ajatella kahtena kulkuneuvona, jotka kulkevat rinnakkain, ja aikaa niiden kulkemina nopeuksina. Mikäli toinen kulkuneuvo kiihdyttää vauhtiaan, sen nopeus kasvaa suhteessa toiseen kulkuneuvoon.   
”Todellisessa” aikamatkailussa pyritään liikkumaan ajan poikkeamia pitkin esimerkiksi menneisyyteen. Menneisyyteen suuntautuva todellinen aikamatkustus on suhteellista aikamatkustusta vaikeampi teoreettinen ongelma, sillä siinä tiettyä hetkeä edeltää samanaikaisesti menneisyys ja tulevaisuus. Tämän perusteella voitaisiin sanoa, että aikamatkailija palaa takaisin lähtöpaikalleen jo ennen lähtöä, mikä sotkee loogisuuden ja tuottaa teoreettisia ongelmia.

Aikakone

Jos suhteellisuusteoria mahdollistaa aikamatkailun, olisi myös periaatteessa mahdollista rakentaa tai luoda laite, jolla pystyisi matkaamaan ajassa. Teoriassa tällainen kone voitaisiin rakentaa, mutta ihmiskunnan teknologisen tietämyksen taso ei vielä riitä siihen. Lisäksi nämä rakennusohjeet vaativat joidenkin vielä todistamatta olevien teorioiden paikkansapitävyyttä. Esimerkiksi ei vielä tiedetä, onko madonreikien vakauttaminen ylipäänsä mahdollista vai hajoavatko ne sekunnin murto-osassa syntymänsä jälkeen. 
Aikakoneena voisi esimerkiksi käyttää madonreikää, jonka ihminen on keinotekoisesti luonut. Tämä voisi onnistua, mikäli pystyttäisiin rakentamaan todella tehokas hiukkaskiihdytin. Mahdollisesti joissain jo olemassa tai rakenteilla olevissa kiihdyttimissä voisi luoda hyvin lyhytikäisiä madonreikiä, jotka katoaisivat hetkessä syntymänsä jälkeen. Fysiikan lait eivät tee madonreiän vakauttamisesta mahdotonta, mutta ne eivät myöskään todista sen olevan mahdollista. Eräs toimiva keino voisi olla syöttää madonreikään jatkuvasti negatiivista energiaa, mutta ihmiskunnan nykytietämyksen valossa ei voida varmasti sanoa tämän keinon tepsivän. Lisäksi fyysikko Matt Visser on laskenut, että tarvittavan negatiivisen energian määrä vastaisi Auringon kymmenessä miljardissa vuodessa tuottamaa kokonaisenergiaa. Mikäli madonreiän kuitenkin pystyisi vakauttamaan, sen eri päiden ajat pitäisi seuraavaksi saada poikkeamaan toisistaan. Tämä onnistuisi esimerkiksi laittamalla toisen pään kiertämään vuosiksi hiukkaskiihdytintä tai viemällä toisen pään hyvin raskaan kohteen kuten neutronitähden läheisyyteen vuosiksi. Tällöin aika kulkisi madonreiän eri päissä eri tahtiin ja mentäessä sisään päästä A saavuttaisiin päässä B eri aikaan kuin lähtiessä.

Aikamatkustus erittäin pienessä mittakaavassa

Yleensä aikamatkustuksella tarkoitetaan konkreettista ja huomattavaa siirtymistä ajasta toiseen, mutta Albert Einsteinin suhteellisuusteoriat mahdollistavat myös hyvin pienessä mittakaavassa tapahtuvan aikamatkustuksen. Tällainen aikamatkustus on kuitenkin mittasuhteiltaan sellaista luokkaa, etteivät ihmiset huomaa liikkuneensa ajassa korkeintaan sekunnin murto-osan verran. Esimerkiksi avaruuslentäjien lähtiessä avaruuteen he altistuvat erittäin suurille nopeuksille ja tällöin voidaan sanoa, että he ovat matkanneet sekunnin murto-osan ajassa tulevaisuuteen. Kyseessä ovat kuitenkin erittäin lyhyet ajanjaksot.

Aikamatkustuksen riskit

Vaikka matkaaminen ajassa olisikin mahdollista, siihen sisältyy useita riskejä. Jos jätetään pois kaikki menneisyyden muuttamisesta syntyvät ongelmat, jää jäljelle vielä joukko itse ajassa matkustamiseen liittyviä uhkatekijöitä. Aikamatkustuksen vaatima aikamatkahorisontti tuo omat riskinsä matkustamiseen. Mustan aukon horisontti koostuu niistä valonsäteistä, jotka juuri ja juuri välttyvät putoamasta aukkoon, kun taas aikamatkahorisontti koostuu niistä valonsäteistä, jotka kohtaavat toisensa. Tämän vuoksi mustan aukon horisontti ja aikamatkahorisontti muistuttavat toisiaan. Mikäli tällainen aikamatkahorisontti olisi aikakoneen toimivuuden ehto – kuten esimerkiksi fyysikko Stephen Hawking arvelee – syntyy riski siitä, että aikamatkustaja jää valonsäteiden kanssa kiertämään rajattua aluetta kokien toistuvia tapahtumia. Tällöin aikamatkaaja ei siirrykään hetkessä pisteestä A pisteeseen B vaan jää kiertämään toistuvien tapahtumien sarjaa, jota kutsutaan aikasilmukaksi. 
Aikamatkahorisontti tuottaa vielä toisenkin riskin. Valonsäteiden kiertäessä jatkuvasti samaa pistettä ne tuovat nollapiste-energiansa yhä uudelleen samaan paikkaan, mikä johtaa lopulta horisontin energiatiheyden kasvamisen äärettömäksi. Mikäli jokin avaruusalus yrittäisi kulkea tällaisen horisontin läpi päästäkseen matkaamaan ajassa, se tuhoutuisi kirkkaassa leimahduksessa pääsemättä koskaan aikamatkahorisontin läpi. Vaikka aikamatkustamista haluavan kulttuurin tekniikka olisi niin korkealla tasolla, että se pystyy poistamaan virtuaalihiukkasia aikamatkahorisontista, ei edes tämä poista riskiä tuhoutua kirkkaassa energiapurkauksessa. Tällöin aikamatkahorisontista voi tulla äärimmäisen epävakaa, ja pienikin häiriö – esimerkiksi avaruusaluksen yritys ylittää aikamatkahorisontti päästäkseen matkaamaan ajassa – saattaa vapauttaa koko horisontin energian yhtenä ainoana purkauksena tuhoten avaruusaluksen täydellisesti.

Hiukkastason aikamatkustus

Virtuaalihiukkaset ovat hiukkasia, joita kvanttiteorian mukaan on kaikkialla. Ne ovat hiukkas-antihiukkas-pareja, jotka kumoavat toistensa vaikutuksen heti syntymänsä jälkeen, mikä johtaa molempien hiukkasien tuhoutumiseen.
Virtuaalihiukkasten joutuessa mustan aukon läheisyyteen, toinen virtuaalihiukkaspareista saattaa pudota mustaan aukkoon, jolloin hiukkasparin toinen osapuoli jää olemaan yksinään. Tällöin jäljelle jäänyt hiukkanen saattaa itsekin joutua mustaan aukkoon, mutta toisaalta se voi myös liikkua pois mustan aukon läheisyydestä. Ilmiötä kutsutaan nimellä Hawkingin säteily fyysikko Stephen Hawkingin mukaan. 
Virtuaalihiukkasparin käyttäytymistä mustan aukon läheisyydessä voidaan tarkastella myös toiselta suunnalta. Mikäli mustaan aukkoon putoaa juuri antihiukkanen, sitä voidaan myös pitää mustan aukon vaikutuskentästä poistuvana tavallisena hiukkasena, mikä on selitettävissä antihiukkasen erikoispiirteiden avulla. Kun loogisesti katsoen ”väärin” kulkeva hiukkanen saavuttaa pisteen, jossa virtuaalihiukkanen vaikuttaa syntyneen, painovoimakenttä laittaa sen kulkemaan ajassa eteenpäin, jolloin se poistuu tavallisena hiukkasena mustan aukon läheisyydestä. Näin aikamatkustus toteutuu äärimmäisen pienessä mittakaavassa.

Vapaa tahto

Mikäli aikamatkustus on mahdollista, se tuottaa hankalia kysymyksiä ihmisen vapaasta tahdosta. Isoisäparadoksin ratkaisuksi on tarjottu vielä tuntemattomia fysiikan lakeja, jotka estävät aikamatkailijaa tappamasta isoisäänsä. Tämä kuitenkin tarkoittaisi sitä, että vapaa tahto olisi vain harha ja ihmisen toimia ohjaisivatkin fysiikan lait. Mikäli vapaa tahto on vain harha, isoisäparadoksi on helposti ratkaistavissa. Tämä kuitenkin asettaa lisää uusia filosofisia kysymyksiä liittyen vapaaseen tahtoon. 
Mikäli vapaa tahto on todellisuudessa olemassa, eikä ole harha, voidaan ratkaisua isoisäparadoksiin hakea hyödyntämällä kvanttimekaniikan monimaailmoihin perustuvaa tulkintaa. Tämä tarkoittaisi käytännössä sitä, että ihmisen aistiva kaikkeus on vain yksi monista rinnakkaisulottuvuuksista, joita on ääretön määrä. Tällöin vapaa tahto olisi ihmisen kykyä tehdä menneisyydessäänkin erilaisia päätöksiä, minkä ansiosta aikamatkailija pystyisi muuttamaan menneisyyttä luoden teoillaan uusia rinnakkaisulottuvuuksia, eli ”vaihtoehtoisia tulevaisuuksia”. Tämä tarkoittaisi käytännössä sitä, että jokaisesta ihmisestä olisi olemassa lukemattomia määriä erilaisia ”kopioita” toisissa vaihtoehtoisissa kaikkeuksissa, jolloin vapaan tahdon käsite pitäisi tulkita nykyistä laajemmin.   
Mikäli vapaa tahto siis on vain harhaa ja esitetyt teoriat rinnakkaiskaikkeuksista pitävät paikkansa, on oman isoisänsä tappaminen isoisäparadoksin mukaisesti mahdollista. Aikamatkailija ei kuitenkaan ollut tappanut isoisäänsä siinä maailmankaikkeudessa, josta hän lähti aikamatkalle, mikä johtaa siihen, että hän siirtyy yhdestä rinnakkaisesta kaikkeudesta toiseen. Tällöin aikamatkailija ei tule muuttaneeksi sen kaikkeuden menneisyyttä, josta lähti matkaan, vaan kyseisen kaikkeuden menneisyys pysyy samana kuin ennen aikamatkaa. 
Yhtäkään vapaan tahdon ongelmaan tai isoisäparadoksiin esitetyistä ratkaisuista ei voida todistaa tai kunnolla edes teoreettisesti osoittaa oikeiksi. Tarjotut ratkaisuehdotukset kuitenkin osoittavat, että aikamatkustuksesta mahdollisesti syntyvät paradoksit eivät vielä itsessään tee aikamatkustuksesta mahdotonta, sillä ne ovat mahdollisia ratkaista.

Epäsymmetriset atomiytimet

Vuonna 2013 joukko CERNin tutkijoita löysi atomiytimiä, joiden muoto ei ollut symmetrinen vaan päärynän muotoinen – toisin sanoen ytimien massa oli jakautunut epätasaisesti. Ytimien kärki osoitti tiettyyn suuntaan aika-avaruudessa. Tämä saattaa merkitä, että aika kulkee aina menneisyydestä tulevaisuuteen, eikä aikamatkustus ole mahdollista.

Tunnettujen tutkijoiden näkemyksiä aikamatkailusta

Monilla tunnetuilla tutkijoilla on erilaisia näkemyksiä aikamatkailun mahdollisuudesta tai mahdottomuudesta. Esimerkiksi Albert Einstein katsoi, etteivät hänen suhteellisuusteoriansa mahdollistaneet matkustamista ajassa. Einsteinille olikin järkytys, kun hänen työtoverinsa Kurt Gödel vuonna 1949 huomasi pyörivän kaikkeuden olevan täynnä aikamatkustuksen mahdollistavia madonreikiä. Tosin Gödelin malli vaati kosmologisen vakion olemassaolon, mistä fyysikot eivät vieläkään ole yksimielisiä. 
Stephen Hawking on yksi aikamatkustuksen mahdollisuutta epätodennäköisenä pitävistä tutkijoista. Teoksissaan Ajan lyhyt historia ja Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa Hawking ei täysin kiellä aikamatkustuksen mahdollisuutta, mutta kertoo laskeneensa, että todennäköisyys sille, että ihminen pystyy matkaamaan menneisyyteen ja murhaamaan isoisänsä, on vain yhden suhde kymmenen potenssiin miljoona triljoonaa triljoonaa triljoonaa.