Hyvää syntymäpäivää, professori Hawking!

Stephen Hawking täyttää 70 vuotta sunnuntaina 8.1.2012. Tämä on hyvin kunnioitettava saavutus, etenkin kun hermostorappeumasairauden oli määrä kaataa hänet hautaan jo alle 25-vuotiaana. Sairauden rajuista vaikutuksista huolimatta Hawking on tehnyt poikkeuksellisen vaikuttavan tieteellisen uran. Tieteen huipulla – ainakin fysiikassa – parhaat vuodet muistuttavat maratoonarin tai jalkapallomaalivahdin urakaarta: huipulle noustaan alle kolmikymppisenä, nelikymppisenä voi toki olla vielä huipputekijä, mutta vain jos pohjan olet luonut aiemmin. Tuota vanhempikin taituri voi edelleen olla ketterästi nuoremmille mallia näyttävä ja ohjeita antava valmentaja.

Stephen Hawking ohjasi Bernard Carrin väitöskirjatyön vuosina 1972-1975. Lontoossa matematiikan ja astronomian professorina nykyisin toimiva Carr arvioi The Guardian -lehdessä julkaistussa syntymäpäiväartikkelissa Hawkingin tehneen vuonna 1974 – siis 32-vuotiaana – yhden 1900-luvun fysiikan suurimmista keksinnöistä. Hawking osoitti, että yhdeksi pisteeksi painovoiman musertamina romahtaneet tähdet eli avaruuden mustat aukot eivät ole pelkästään kylmiä ympäristöstään materiaa nieleviä reikiä ajan ja paikan muodostamassa avaruudessa. Kvanttifysiikan ja termodynamiikan (lämpöopin) lakien mukaan ne voivat myös lähettää lämpösäteilyä. Hawking kykeni todistuksessaan yhdistämään kvanttiteoriaa ja termodynamiikkaa yleiseen suhteellisuusteoriaan. Tämän synteesin ansiosta Carr arvostaa Hawkingin teorian höyrystyvistä mustista aukoista niin korkealle.

Hawkingin suurimmat ansiot liittyvät yleisemmin kosmologiaan, erityisesti maailmankaikkeuden historiaan ja tulevaisuuteen sekä mustien aukkojen ominaisuuksiin. Erityisesti hänet tunnetaan Roger Penrosen kanssa tehdyistä yleiseen suhteellisuusteoriaan liittyvistä tutkimuksista. Nämä kuvaavat ajan ja avaruuden jyrkkää kaareutumista, eli ns. singulariteetteja avaruuden mustissa aukoissa tai alkuräjähdyksen olosuhteissa.

Näistä aiheista Hawking kirjoitti suuren suosion saavuttaneen yleistajuisen kirjan Ajan Lyhyt Historia (A Brief History of Time – From the Big Bang to Black Holes, vuodelta 1988). Hawkingin tutkimukset koskettavat suuria aiheita: mistä kaikki on alkanut ja olisiko maailmankaikkeus voinut kehittyä nykyisen kaltaiseksi monella tavoin vai onko vain yhdenlainen menneisyys mahdollinen; mitä tapahtui neliulotteisen aika-avaruuden syntyessä ja mitä tapahtuu sen päättyessä avaruuden mustiin aukkoihin tai maailmankaikkeuden mahdollisesti romahtaessa kasaan?

Nämä ovat erittäin mielenkiintoisia kysymyksiä, mutta pohdiskelen ohessa tarkemmin tuota Carrin hehkuttamaa teoriaa, se liittyy niin moneen mielenkiintoiseen fysiikan alueeseen.

Avaruuden musta aukko on yleisen suhteellisuusteorian ennustama kummajainen. Suhteellisuusteoria tarkastelee maailmaa neliulotteisesti; tapahtumiin liittyy paitsi paikka, myös aika. Näiden kahden suureen mittaaminen riippuu havaitsijan liiketilasta. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa painovoimaa neliulotteisen aika-avaruuden kaareutumisena. Käytännössä tämä ilmenee mm. GPS-navigoinnissa, sillä paikannussatelliitin radalla kello käy eri nopeudella kuin maan pinnalla. Maailmankuvaamme yleinen suhteellisuusteoria muovaa maailmankaikkeuden rakennetta ja dynamiikkaa tutkivan kosmologian kautta (ks. suhteellisuusteoriasta kirjoittamani artikkeli ja fysiikan vuoden esitelmäni Metsossa 2005) .

Musta aukko on oman painovoimansa vaikutuksesta romahtanut sammunut tähti. Suhteellisuusteorian mukaan romahtaneen tähden lähistöllä aika-avaruus kaareutuu niin voimakkaasti, että romahtaneen tähden ympärille muodostuu ns. tapahtumahorisontti. Sen sisäpuolelta ei pääse poistumaan aine eikä säteily.

Aika-avaruuden kaareutumista voi yrittää hahmottaa ajattelemalla mustaan aukkoon putoavaa radiolähettimeen liitettyä kelloa. Mitä tapahtuu jos lähetin tuottaa sekunnin välein radiosignaalin, jota mitataan turvallisen matkan päässä tyhjässä avaruudessa? Mukana putoavan henkilön mielestä kello käy normaaliin tahtiin, mutta kaukaa ulkopuolelta katselevan mielestä kellon lähettämät signaalit saapuvat perille yhä harvemmin. Kun kello saavuttaa tapahtumahorisontin, ulkopuolisen havaitsemien signaalien väli venyy äärettömän pitkäksi – kellon mittaama aika näyttää pysähtyvän. Kaareutuminen on siis aikavälien venymistä tai toisaalta etäisyyksien kutistumista.

Kuuluisan suhteellisuusteoreetikon John Wheelerin ohjauksessa väitöskirjansa tehnyt Jacob Bekenstein oivalsi – 25-vuotiaana – että mustat aukot näyttävät rikkovan termodynamiikan toista pääsääntöä. Toisen pääsäännön mukaan maailmankaikkeuden entropia väistämättä kasvaa. Entropia on suure, joka ainakin yleistajuisissa teksteissä mittaa epäjärjestystä, mutta sen tieteellisempi määritelmä liittyy toisaalta informaatioon, toisaalta energian käyttökelpoisuuteen. (Ohessa lisätietoa entropiasta vanhasta blogistani).

Wheeler ja Bekenstein havaitsivat, että mustaan aukkoon putoava materia sisältää entropiaa, joka häviää maailmasta syöksyessään mustan aukon kurimukseen. Bekensteinin mukaan mustalla aukolla on oltava hyvin määritelty entropia, mikäli toinen pääsääntö on voimassa. Laskelmissaan hän päätyi kauniiseen lopputulokseen: mustan aukon entropia on verrannollinen aukon tapahtumahorisontin pinta-alaan. Physical Review -lehdessä 1973 julkaisemassaan artikkelissa Bekenstein oli varovainen mustan aukon entropian tulkinnassa. Hän samaisti mustan aukon entropian siihen, ettei ulkopuolinen havaitsija voi saada mitään informaatiota mustasta aukosta.

Entropiaan liittyy aina lämpötila, ja kaikki millä on absoluuttista nollaa suurempi lämpötila säteilee lämpösäteilyä tai jotain muuta sähkömagneettista säteilyä. Niin tekee näkyvää valoa säteilevä aurinko ja pitkäaaltoista lämpösäteilyä hohkaava maapallo. Samoin maailmankaikkeuden mikroaaltotausta on jäänne kuuman maailmankaikkeuden säteilystä, jonka aallonpituus on laajenevassa kaikkeudessa venähtänyt alkuperäisestä tuhatkertaiseksi.

Mutta jos mustalla aukolla on entropia, sillä on myös lämpötila. Mikäli sillä on lämpötila, sen on säteiltävä sähkömagneettista säteilyä.

Hawking ei uskonut ensin ajatukseen mustan aukon lämpötilasta, mutta ryhtyi tutkimaan asiaa tarkemmin. Kvanttikenttäteoria ennustaa, että tyhjässä avaruudessa voi syntyä ns. virtuaalisia hiukkasia ja niiden antihiukkasia. Ne kuitenkin tavallisesti kohtaavat toisensa uudelleen, joten pari häviää. Voimakkaasti kaareutuneessa aika-avaruudessa lähellä tapahtumahorisonttia parin toinen osapuoli saattaakin luiskahtaa horisontin väärälle puolelle, jolloin toinen karkaa painovoimakentästä. Tällöin mustan aukon massa pienenee karkaavan hiukkasen viemää energiaa vastaavan määrän – kuten tunnettua E = mc2.

Hawkingin johtama tulos merkitsee, että mustat aukot säteilevät lämpöä – tosin äärimmäisen heikosti. Tällöin ne myös höyrystyvät valtavan pitkien aikojen kuluessa yhä pienemmiksi, kunnes höyrystymisen kiihtyminen päättyy aukon räjähdykseen. Hawking julkaisi kuuluisan tuloksensa arvostetussa Nature -aikakauslehdessä vuonna 1974.

Tieteellisesti tällaiset fysiikan alojen rajojen ylitykset ovat hyvin merkittäviä, mutta aivan perusteltu kysymys onko näin perustavanlaatuisen tiedon lisääntymisestä yleisempää hyötyä? Tieteellisen maailmankuvan jalostuminen on arvo sinänsä, mutta liittyykö tuo jalostuminen elämän todellisuuteen?

Muistuttaisin, että vaikka nykyisin jokapäiväisessä käytössä oleva teknologia pohjautuu erittäin vahvasti sähkömagnetismiin, se käyttää hyvin paljon termodynamiikalle ja/tai kvanttimekaniikalle rakentuvaa tietämystä. Käytännössä kaiken puolijohteisiin pohjautuvan elektroniikan fysikaalinen pohja on kvanttimekaaninen. Aineen ja säteilyn vuorovaikutuksen ymmärtäminen pohjautuu kvanttifysiikan ja termodynamiikan liittoon, sen hedelminä osaamme tehdä aurinkokennoja, LEDejä, erilaisia antureita mittalaitteisiin ja ilmaisimiin. Mutta lisäksi ymmärrämme mm. miksi hiilidioksidi ja vesihöyry pidättävät maapallon lämpösäteilyä, mutta ilmakehässä paljon runsaammat typpi ja happi eivät. Suhteellisuusteoriaan törmäämme poliisin ratsiassa, missä nopeutemme mitataan käyttäen suppeasta suhteellisuusteoriasta johdettua Doppler-ilmiötä. Ja GPS-laitteet olisivat käyttökelvottomia, ellei otettaisi huomioon satelliittien liikettä maan pinnalla koettua painovoimaa heikommassa kentässä. Ilman suhteellisuusteoriaa navigaattorimme heittäisivät toistakymmentä kilometriä päivässä, ja mitä hyötyä on laitteesta, joka ei erota Hervantaa Tesomasta?

Käytännön kannalta tärkein kysymys ei aina ole ”mitä tiedämme” vaan ”miten tiedämme.” Tieteellisten teorioiden matemaattis-looginen koneisto voi olla käyttökelpoista aivan odottamattomalla suunnalla.

Ihminen on myös utelias olento. Paitsi tieteentekijä myös maallikko saattaa janota tietoa ihmisestä, luonnosta ja maailmankaikkeudesta. Maineensa ihmisten mielessä Hawking hankki tietenkin tuolla yllämainitulla kirjallaan. Kirjan pohjalta Errol Morris teki mielenkiintoisen elokuvan A Brief History of Time (1991). Elokuva löytynee lähikirjastosta, mutta on myös katsottavissa Google-videoissa.

Tietoja joukonieminen

Jouko Nieminen Vuosikertaa 1962. Naimisissa oleva lapsellinen ihminen - lapset puolestaan ovat täysi-ikäisiä ihmisiä. Mielipiteiltäni vapaamielinen agnostikko, mutta elämäntavoiltani rajoittunut kaappikalvinisti. Tieteentekijä, -lukija ja -näkijä.
This entry was posted in tiede and tagged , , , , . Bookmark the permalink.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s