Kitty Ferguson
stephen
hawking elämä
Suomentanut markus hotakainen
werner söderström osakeyhtiö helsinki
Englanninkielinen alkuteos Stephen Hawking. His Life and Work. Š Kitty Ferguson 2011 Suomenkielinen laitos Markus Hotakainen ja WSOY 2012 ISBN 978-951-0-39327-7
Lapsenlapsilleni Gracelle ja Alicelle
Sisällys Kiitokset 9
osa 1 1942–1975 1 ”Kaiken teorian metsästys” 13
2 ”Tavoitteemme ei ole sen vähäisempi kuin asuttamamme maailmankaikkeuden täydellinen kuvaus” 17
3 ”Hän pärjäsi kenelle tahansa!” 37
4 ”Kun oivalsin, että minulla on parantumaton sairaus, johon
todennäköisesti kuolisin muutaman vuoden sisällä, olin jossain määrin järkyttynyt.” 55
5 ”Suuri kysymys kuului: oliko alkua vai ei?” 71 6 ”Menneisyydessämme on singulariteetti” 92
osa 11 1970–1990 7 ”Ihmiset tuntuvat ajattelevat, että olemme
tottuneet tähtitieteelliseen elintasoon” 112
8 ”Yleensä tutkijat olettavat, että menneisyyden ja tulevaisuuden,
syyn ja seurauksen, välillä on ainutkertainen yhteys. Jos informaatio katoaa, yhteyttä ei enää ole.” 130
9 ”Todennäköisyys sille, että syntyy maailmankaikkeus,
jossa kehittyy meidän tuntemamme kaltaista elämää, on häviävän pieni.” 148
10 ”Kaikista matkoistani huolimatta en ole onnistunut putoamaan maailman reunalta.” 166
11 ”Kilpikonnia koko pino” 191
12 ”Vauvamaailmankaikkeuksien tutkimus on vasta lapsenkengissä” 207
osa 111 1990–2000 13 ”Onko teoreettisen fysiikan loppu näkyvissä?” 226 14 ”Elokuvaroolien välissä nautin fysiikan ongelmien ratkaisemisesta” 241
15 ”Uskoakseni meillä on hyvät mahdollisuudet välttää sekä harmageddon että uusi pimeä keskiaika” 261
16 ”Minusta asia on selvä” 275
osa 1v 2000–2011 17 Laajeneva mahdollisuuksien horisontti” 292 18 ”Papalla on pyörät” 310
19 ”Olen aina mennyt hieman toiseen suuntaan kuin muut” 329 20 ”Nimeni on Stephen Hawking. Olen fyysikko, kosmologi ja aikamoinen uneksija.” 349
Sanasto 380
Lähdeviitteet 389 Kirjallisuus 412
Kuvalähteet 425 Hakemisto 427 8
Kiitokset Haluan kiittää Stephen Hawkingia ajasta ja kärsivällisyydestä auttaessaan minua ymmärtämään teorioitaan ja sietäessään esittämiäni kammottavan tyhmiä kysymyksiä. Olen kiitollinen agenteilleni Brie Burkemanille ja Rita Rosen kranzille sekä kustannustoimittajilleni Sally Gaminaralle Transworld Publishersilla ja Luba Ostashevskylle Palgrave Macmillanilla. Olen myös kiitollinen seuraaville henkilöille heidän monipuolisesta avustaan, kuten kirjan osien lukemisesta ja tarkistamisesta sekä keskusteluista, joita he ovat käyneet kanssani kirjassa käsitellyistä asioista. Jotkut alla luetelluista eivät ole suoraan olleet tekemisissä kirjan kanssa, jotkut eivät ole enää elossakaan. He ovat kuitenkin auttaneet minua niin suuresti ymmärtämään Stephen Hawkingia, hänen työtään ja siihen liittyvää fysiikkaa, että olisi asiatonta olla kiittämättä heitä tässä yhteydessä. Sidney Coleman, Judith Croasdell, Paul Davies, Bryce DeWitt, Yale Ferguson, Matthew Fremont, Joan Godwin, Andrei Linde, Sue Masey, Don Page, Malcom Perry, Brian Pippard, Joanna Sanferrare, Leonard Susskind, Neil Turok, Herman ja Tina Vetter, John A. Wheeler ja Anna Zytkow. Kaikista kirjan mahdollisista puutteista kannan kuitenkin itse täyden vastuun. Kitty Ferguson 9
OSA 1
1942–1975
1942–1975
1
”Kaiken teorian metsästys” 1980 Englannissa, keskellä Cambridgeä, on muutamia kapeita kujia, joihin 1900- tai 2000-luku ei näytä vaikuttaneen millään lailla. Talot ja rakennukset edustavat eri aikakausia, mutta jos isommalta pääväylältä kääntyy kulman ympäri jollekin näistä sivukaduista, siirtyy ajassa taaksepäin. Kapea käytävä kulkee collegen vanhojen muurien välissä ja kylänraitti ohi keskiaikaisen kirkon ja kirkkopihan tai mallastamon. Yhtä vanhoilta mutta vilkkaammilta kaduilta kantautuvat liikenteen äänet ovat hyvin vaimeita. Täällä on hiljaista, kuuluu vain lintujen laulua, puhetta, askelten ääniä. Oppineet ja kylänmiehet ovat käyskennelleet näillä kujilla vuosisatojen ajan. Kun kirjoitin ensimmäisen kirjani Stephen Hawkingista vuonna 1990, aloitin tarinan Free School Lanelta, yhdeltä noista pikkukaduista. Se lähtee Bene’s Streetiltä, St Benen kirkon ja sen 1000-luvulla rakennetun kellotornin vierestä. Kulman takaa alkavalla kujalla kukat ja puiden oksat tunkevat yhä kirkkopihan rauta-aidan läpi samaan tapaan kuin 20 vuotta sitten. Pysäköidyt polkupyörät pilaavat paikan antiikkisen tunnelman, mutta jonkin matkan päässä oikealla on mustista, karkeapintaisista kivistä rakennettu muuri, jossa on kapeat pystyikkunat. Se on osa 1300-luvulla perustetun Corpus Christi -collegen Old Court -rakennusta, joka on Cambridgen vanhin piharakennus. Jos kääntyy se13
s t e ph e n h aw king
•
el ämä
lin muuriin, näkee korkealla goottilaisen portin yläpuolella kyltin, jossa lukee THE CAVENDISH LABORATORY. Keskiaikaisella kujalla piileksivä portti ja sen takana avautuva kulkureitti vievät lähemmäs nykyaikaa. 1100-luvulla samalla paikalla olleesta luostarista ei näy jälkeäkään, ei myöskään puutarhasta, joka istutettiin myöhemmin sen raunioille. Niiden sijasta harmaan asfalttipihan ylle kohoaa ankeita, tehdasmaisia rakennuksia, jotka painostavuudessaan muistuttavat melkeinpä vankilaa. Rakennusryhmän uumenissa näkymät paranevat hieman. Kahden vuosikymmenen aikana, jotka ovat kuluneet siitä, kun kirjoitin paikasta viimeksi, on noussut uusia rakennuksia. Huolella suunniteltujen nykyaikaisten rakennusten lasisista julkisivuista ei edelleenkään heijastu juuri muuta kuin niiden vanhempien naapurirakennusten synkkyys. Kokonaisen vuosisadan ajan, aina siihen saakka, kun Cambridgen yliopisto vuonna 1974 rakensi uuden Cavendish-laboratorion, rakennusryhmässä piti majaansa yksi maailman tärkeimmistä fysiikan tutkimuskeskuksista. Täällä ”J. J.” Thomson löysi elektronin, Ernest Rutherford tutki atomin rakennetta – ja lista jatkuu liki loputtomiin. Kun kävin täällä luennoilla 1990-luvulla (kaikki toiminta ei siirtynyt vuonna 1974 uuteen Cavendishiin), valtaisat liitutaulut olivat yhä käytössä. Niitä nostettiin ja laskettiin meluisan ketju- ja väkipyöräkoneiston avulla kammesta kääntämällä, jotta saatiin tilaa fysiikan luentojen loputtomille yhtälöryppäille. Cockroft-luentosali, joka kuuluu samaan kompleksiin, on paljon nykyaikaisempi. 29. huhtikuuta 1980 tutkijat, kutsuvieraat ja yliopiston johtohenkilöt kerääntyivät jyrkille istuinriveille. Heidän edessään oli kahden kerroksen korkuinen liitutauluseinämä ja valkokangas – paljon ennen PowerPointin keksimistä. Pian alkaisi uuden matematiikan Lucas-professorin, 38-vuotiaan matemaatikon ja fyysikon Stephen Hawkingin virkaanastujaisesitelmä. Hänet oli nimitetty tähän arvostettuun virkaan edellisenä syksynä. Hawkingin esitelmän otsikkona oli kysymys: ”Onko teoreettisen fysiikan loppu näköpiirissä?” Hawking hämmästytti kuulijansa toteamalla, että hänen mielestään on. Hawking kutsui heidät mukaansa ihmeel14
1942–1975
liselle matkalle läpi ajan ja avaruuden etsimään tieteen Graalin maljaa: teoriaa, joka selittää maailmankaikkeuden ja kaiken siinä tapahtuvan. Jotkut kutsuvat sitä Kaiken teoriaksi. Ellei tuntenut Stephen Hawkingia, joka istui hiljaa pyörätuolissa hänen opiskelijansa lukiessa yleisölle esitelmää, hänen ei olisi arvannut olevan lupaava ehdokas sellaisen matkan oppaaksi. Teoreettinen fysiikka muodosti hänelle pakopaikan vankilasta, joka oli vielä synkempi kuin vanhan Cavendish-laboratorion luoma mielikuva. Vain hieman yli 20-vuotiaasta lähtien hän oli joutunut elämään yhä pahenevan vammaisuuden ja ennenaikaisen kuoleman uhan kanssa. Hawkingilla on amyotrofinen lateraaliskleroosi, joka tunnetaan sairauteen kuolleen New York Yankeesien ykkösvahdin mukaan Lou Gehrigin sairautena.* Hawkingin tapauksessa sairaus oli edennyt hitaasti, mutta tullessaan nimitetyksi Lucas-professoriksi hän ei kyennyt enää kävelemään, kirjoittamaan, syömään eikä kohottamaan päätään, jos se nuokahti eteenpäin. Hänen puheensa oli epäselvää ja lähes käsittämätöntä kaikille muille paitsi läheisimmille ihmisille. Lucas-esitelmän hän oli työläästi sanellut etukäteen, jotta opiskelija saattoi lukea sen. Hawking ei kuitenkaan ollut eikä ole missään tapauksessa invalidi. Hän on aktiivinen matemaatikko ja fyysikko, jota monet kutsuivat jo tuolloin nerokkaimmaksi sitten Einsteinin. Lucas-professuuri on hyvin arvostettu Cambridgen yliopiston oppituoli. Se on perustettu vuonna 1663 ja sen toinen haltija oli Sir Isaac Newton. Hawkingin ikonoklasmille oli tyypillistä, että hän aloitti arvostetun professuurinsa ennustamalla oman alansa loppua. Hän sanoi arvelevansa, että Kaiken teorian löytymiselle ennen 1900-luvun loppua oli hyvät mahdollisuudet. Sen jälkeen hänen kaltaisillaan teoreettisilla fyysikoilla olisi hyvin vähän tekemistä. Esitelmästä lähtien monet ovat pitäneet Stephen Hawkingia teorian etsinnän lipunkantajana. Hawkingin ni* Uusimpien tietojen mukaan Gehrigillä ei ehkä ollutkaan amyotrofinen lateraali skleroosi, vaan toinen samankaltainen sairaus.
15
s t e ph e n h aw king
•
el ämä
meämä ehdokas Kaiken teoriaksi ei kuitenkaan ollut hänen oma teoriansa, vaan ”N=8 supergravitaatio”, jonka monet fyysikot tuolloin toivoivat yhdistävän kaikki hiukkaset ja luonnon perusvoimat. Hawking on aulis myöntämään, että hänen tutkimustyönsä on vain osa paljon suurempaa kokonaisuutta, johon kuuluu fyysikoita kaikkialta maailmasta. Se on myös osa hyvin vanhaa tutkimusmatkaa. Halu ymmärtää maailmankaikkeutta on yhtä ikiaikainen kuin ihmisen tietoisuus. Siitä lähtien, kun ihminen ensimmäisen kerran alkoi katsella yötaivasta ja ympäröivän luonnon monimuotoisuutta sekä pohtia omaa olemassaoloaan, maailmaa on yritetty selittää myyteillä ja uskonnoilla, myöhemmin matematiikalla ja luonnontieteillä. Emme ehkä ole paljon sen lähempänä kokonaiskuvan ymmärtämistä kuin kaukaisimmat esivanhempamme, mutta useimmat meistä, myös Stephen Hawking, ajattelevat mielellään, että olemme. Hawkingin elämäntarina ja tutkimustyö ovat yhä täynnä paradokseja. Asiat ovat usein toisin kuin ne näyttävät olevan. Palaset, joiden pitäisi sopia toisiinsa, eivät sovikaan. Alut voivat olla loppuja. Ankarat olosuhteet voivat johtaa onneen, kun taas maine ja menestys eivät välttämättä johdakaan. Kahden nerokkaan ja menestyksekkään tieteellisen teorian yhdistäminen voi tuottaa silkkaa hölynpölyä. Tyhjä avaruus ei olekaan tyhjä. Mustat aukot eivät olekaan mustia. Yritys yhdistää kaikki yksinkertaisella selityksellä johtaakin sirpaleiseen kuvaan. Ja mies, jonka ulkomuoto herättää hämmennystä ja sääliä, vie meidät hymyhuulin sinne, missä ajan ja avaruuden rajojen pitäisi olla – mutta eivät olekaan. Katsommepa minne tahansa maailmankaikkeudessa, todellisuus on hämmästyttävän monimutkainen ja selityksiä karttava, toisinaan outokin, yleensä vaikeasti käsitettävä ja usein mahdoton ennustaa. Oman maailmankaikkeutemme lisäksi voi olla ääretön määrä muita maailmankaikkeuksia. 1900-luvun loppu tuli ja meni, eikä kukaan ole löytänyt Kaiken teoriaa. Mitä se kertoo Stephen Hawkingin ennustuksesta? Voiko mikään tieteellinen teoria todella selittää kaiken?
16
1942–1975
2
”Tavoitteemme ei ole sen vähäisempi kuin asuttamamme maailmankaikkeuden täydellinen kuvaus” Ajatus siitä, että maailmassa ja maailmankaikkeudessa havaitsemamme hämmästyttävä monimutkaisuus ja monimuotoisuus olisi mahdollista tiivistää joksikin hyvin yksinkertaiseksi, ei ole uusi eikä edes kaukaa haettu. Eteläisessä Italiassa 500-luvulla ennen ajanlaskumme alkua Pythagoras ja hänen oppilaansa tutkivat lyyran kielten pituuksien ja niiden synnyttämien sävelten korkeuksien suhteita. He huomasivat maailman sekamelskan ja mutkikkuuden taakse kätkeytyvän säännönmukaisuutta, järjestystä, rationaalisuutta. Sen jälkeen kuluneiden 2500 vuoden aikana esivanhempamme ovat yhä uudelleen todenneet – Pythagoraan tavoin yllätyksekseen ja hämmästyksekseen – että luonto on vähemmän monimutkainen kuin ensi näkemältä vaikuttaa. Kuvitellaan, että olemme superälykkäitä muukalaisia, joilla ei ole mitään käsitystä meidän maailmankaikkeudestamme. Onko olemassa niin täydellinen valikoima sääntöjä, että niitä tutkimalla voisimme selvittää täsmälleen, millainen maailmankaikkeutemme on? Oletetaan, että saisimme jostakin kirjan, johon nämä säännöt olisi koottu. Voisiko se mitenkään olla kovin ohut? Vuosikymmenien ajan monet fyysikot uskoivat, että tämä sääntökirja ei ole erityisen paksu. Siinä on joukko melko yksinkertaisia periaatteita, 17
s t e ph e n h aw king
•
el ämä
kenties vain yksi ainoa periaate, joka on kaiken omassa maailmankaikkeudessamme tapahtuneen, tapahtuvan ja tapahtuvaksi tulevan taustalla. Vuonna 1980 Stephen Hawking esitti rohkean väitteen, että sääntökirja olisi käsissämme 1900-luvun loppuun mennessä. Lapsuudenkodissani oli museokaupasta ostettu muinaisen lautapelin kopio. Urin kaupungissa Mesopotamiassa kaivauksia tehneet arkeologit olivat löytäneet taidokkaasti tehdyn laudan ja pieniä kaiverrettuja nappuloita. Se oli mitä ilmeisimmin hyvin mutkikas peli, eikä kukaan tuntenut sen sääntöjä. Kopion tekijät olivat yrittäneet päätellä säännöt laudan ja nappuloiden perusteella, mutta lautapelin ostaneita kannustettiin kokeilemaan ja keksimään itse, miten sitä pelattaisiin. Maailmankaikkeuden voi ajatella olevan jotakin samantapaista: loistelias, tyylikäs, salaperäinen peli. Säännöt ovat varmasti olemassa, mutta pelin mukana ei tullut sääntökirjaa. Maailmankaikkeus ei kuitenkaan ole kaunis muinaisjäänne niin kuin Urista löytynyt peli. Se on toki vanha, mutta peli on yhä käynnissä. Me ja kaikki tuntemamme (ja paljon tuntematontakin) olemme keskellä käynnissä olevaa peliä. Jos Kaiken teoria on olemassa, meidän ja kaiken maailmankaikkeudessa olevan täytyy noudattaa sen periaatteita, jopa silloin, kun yritämme selvittää, mitä nuo periaatteet ovat. Täydellisten, lyhentämättömien maailmankaikkeuden sääntöjen voisi olettaa täyttävän valtavan kirjaston tai supertietokoneen muistin. On olemassa sääntöjä galaksien syntymiselle ja liikkeille, ihmiskehon toiminnalle ja toimimattomuudelle, ihmisten keskinäiselle kanssakäymiselle, alkeishiukkasten käyttäytymiselle, veden jäätymiselle, kasvien kasvamiselle, koirien haukkumiselle – mutkikkaita sääntöjä sääntöjen säännöille. Miten kukaan voi kuvitella, että kaikki tämä olisi tiivistettävissä muutamaan periaatteeseen? Richard Feynman, Nobel-palkittu amerikkalaisfyysikko, on antanut hienon esimerkin siitä, miten prosessi etenee. Hän totesi, että kerran oli aika, jolloin meillä oli jotakin, jota kutsuttiin liikkeeksi, jotakin muuta, jota kutsuttiin lämmöksi ja vielä jotakin muuta, jota kutsuttiin ääneksi. ”Mutta pian huomattiin”, Feynman kirjoitti, 18
1942–1975
”kun Sir Isaac Newton oli selittänyt liikkeen lait, että jotkut näistä näen näisesti erilaisista ilmiöistä olivat saman asian eri puolia. Esimerkiksi ääni-ilmiö on täydellisesti ymmärrettävissä ilmassa olevien atomien liik keenä. Niinpä ääntä ei enää pidetty jonakin, joka on olemassa liikkeen li säksi. Samalla tavalla lämpöilmiö on helposti ymmärrettävissä liikkeen lakien avulla. Tällä tavoin suuret fysiikan teorian osa-alueet yhdistettiin yksinkertaisemmaksi teoriaksi.”1
Elämää pienten osasten joukossa Kaikki maailmankaikkeuden aine, jonka me tunnemme – sinä ja minä, ilma, jää, tähdet, kaasut, mikrobit, tämä kirja – koostuu pikkuruisista rakennuspalikoista, joita kutsutaan atomeiksi. Atomit puolestaan koostuvat vielä pienemmistä, hiukkasiksi kutsutuista osasista, sekä tyhjästä tilasta. Tutuimpia aineen hiukkasia ovat elektronit, jotka kiertävät atomin ydintä, sekä protonit ja neutronit, jotka muodostavat atomien ytimet. Protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä aineen hiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi. Kaikki aineen hiukkaset kuuluvat ryhmään, jota kutsutaan kuulun italialaisfyysikon Enrico Fermin mukaan fermioneiksi. Niillä on käytössään järjestelmä, jonka turvin ne voivat lähettää viestejä toisilleen. Viestit ohjaavat hiukkasia käyttäytymään ja muuttumaan eri tavoin. Jollakin ihmisryhmällä voi olla käytössään viestijärjestelmä, joka rakentuu neljästä eri palvelusta: puhelimesta, faxista, sähköpostista ja ”etanapostista”. Kaikki ihmiset eivät lähetä ja vastaan ota viestejä ja vaikuta toisiin ihmisiin kaikkien neljän palvelun avulla. Fermionien välistä viestijärjestelmää voi ajatella samaan tapaan neljänä palveluna, joita kutsutaan voimiksi. Fermionien lisäksi on toinen ryhmä hiukkasia, jotka kuljettavat fermionien välisiä ja toistensa välisiä viestejä: ”viestinviejät” eli bosonit. Jokainen maailmankaikkeuden hiukkanen on joko fermioni tai bosoni. Yksi luonnon perusvoimista on gravitaatio. Meidät Maan pinnalla pitelevän gravitaatiovoiman voi ajatella viesteiksi, joita gravitoneiksi 19
s t e ph e n h aw king
•
el ämä
kutsutut bosonit kuljettavat kehomme atomien ja Maan atomien välillä. Viestit saavat hiukkaset pyrkimään lähemmäs toisiaan. Gravitaatio on perusvoimista heikoin, mutta kuten myöhemmin tulemme huomaamaan, se on hyvin pitkän kantaman voima ja vaikuttaa kaikkeen maailmankaikkeuden aineeseen. Kun gravitaatio vielä summautuu, se voi olla kaikkia muita voimia merkittävämpi. Toinen perusvoimista on sähkömagneettinen voima. Se muodostuu viesteistä, joita fotoneiksi kutsutut bosonit kuljettavat atomiytimen protonien välillä, protonien ja elektronien välillä sekä elektronien välillä. Sähkömagneettinen voima saa elektronit kiertämään ydintä. Arkimaailmassa fotonit näkyvät valona ja lämpönä sekä radio-, mikro- ja muina aaltoina, jotka tunnetaan sähkömagneettisena säteilynä. Myös sähkömagneettinen voima on pitkän kantaman voima, mutta se on paljon gravitaatiota voimakkaampi. Se vaikuttaa kuitenkin vain hiukkasiin, joilla on sähkövaraus. Kolmas perusvoima, vahva ydinvoima, pitää atomin ytimen koossa. Ja neljäs perusvoima, heikko ydinvoima, saa aikaan radioaktiivisuuden. Se on keskeisessä osassa alkuaineiden syntyessä tähdissä ja aikoinaan varhaisessa maailmankaikkeudessa. Gravitaatiovoima, sähkömagneettinen voima, vahva ydinvoima ja heikko ydinvoima. Nämä neljä voimaa vastaavat kaikkien maailman kaikkeuden fermionien välisistä kaikista viesteistä sekä niiden välisistä vuorovaikutuksista. Ilman neljää perusvoimaa jokainen fermioni (eli kaikki aineen hiukkaset) olisivat – jos niitä ylipäätään olisi olemassa – eristyksissä vailla mitään keinoa olla tekemisissä toistensa kanssa tai vaikuttaa toisiinsa; ne eivät tietäisi toistensa olemassaolosta mitään. Suoraan sanottuna kaikki mikä ei tapahdu jonkin perusvoiman ansiosta, ei tapahdu lainkaan. Jos se pitää paikkansa, voimien täydellinen selvittäminen antaisi meille ymmärryksen kaikkien maailmankaikkeuden tapahtumien taustalla olevista periaatteista. Meillä on jo nyt huomattavan tiivistetty sääntökirja. Suuri osa fyysikoiden tutkimustyöstä tähtäsi 1900-luvulla siihen, että luonnon neljän perusvoiman toiminnasta ja keskinäisestä yhteydestä 20
1942–1975
opittaisiin enemmän. Ihmisten viestijärjestelmässä saattaisimme huomata, että puhelin, faxi ja sähköposti eivät olekaan niin toisistaan poikkeavia, vaan niitä voidaan pitää saman asian eri tavoin ilmenevinä puolina. Tällainen keksintö ”yhtenäistäisi” kolme viestipalvelua. Samalla tavalla fyysikot ovat yrittäneet yhdistää luonnon perusvoimia – ja osin onnistuneetkin siinä. Lopullisena tavoitteena on löytää teoria, joka selittäisi kaikki neljä voimaa yhden voiman erilaisina ilmentyminä – teoria, joka kenties yhdistäisi jopa fermionit ja bosonit yhdeksi perheeksi. Fyysikot käyttävät tällaisesta teoriasta nimitystä yhtenäisteoria. Koko maailmankaikkeuden selittävän Kaiken teorian täytyy mennä vielä paljon pidemmälle. Stephen Hawkingin kannalta kiinnostavinta on, että sen täytyy vastata kysymykseen siitä, millainen maailmankaik keus oli alkuhetkellä, ennen kuin aikaa oli kulunut lainkaan. Fyysikot muotoilevat kysymyksen seuraavasti: Mitä ovat ”alkuehdot” tai ”maail mankaikkeuden alun reunaehdot”? Koska kysymys reunaehdoista on ollut ja on edelleen Hawkingin tutkimustyön keskiössä, meidän täytyy viettää tovi sen parissa.
Reunan haaste Oletetaan, että kokoamme pienoisrautatien, sijoitamme kiskoille useita junia ja käännämme sitten vaihteet ja junien nopeutta ohjaavat säätimet haluamaamme asentoon ennen kuin kytkemme virran. Silloin olemme asettaneet reunaehdot. Tässä nimenomaisessa tapauksessa todellisuus alkaa täsmälleen niiden määrittelemässä tilassa eikä missään muussa. Se, missä kukin juna on viisi minuuttia virran kytkemisen jälkeen ja törmäävätkö junat toisiinsa, riippuu vahvasti näistä reunaehdoista. Kuvitellaan sitten, että kun junat ovat kulkeneet ilman ulkoisia häiriötekijöitä kymmenen minuutin ajan, ystävämme astuu huoneeseen. Katkaisemme virran. Nyt olemme asettaneet uudet reunaehdot: jokaisen junan täsmällinen sijainti sillä hetkellä, kun virta katkaistiin. Oletetaan, että haastamme ystävämme päättelemään tarkalleen, mistä kukin 21
s t e ph e n h aw king
•
el ämä
juna lähti liikkeelle kymmenen minuuttia aikaisemmin. Siihen liittyy lukuisia muitakin kysymyksiä kuin kaikkein ilmeisimmät, eli missä junat ovat nyt ja miten vaihteet ja säätimet on asetettu. Kuinka nopeasti junat kiihdyttävät ja hidastavat vauhtiaan? Vaihteleeko kitka radan eri osissa? Kuinka jyrkkiä ovat ylä- ja alamäet? Toimiiko virransyöttö tasaisesti? Onko varmaa, että mikään ei ole häirinnyt pienoisrautatien toimintaa – jokin, mitä ei enää voi havaita? Tehtävä olisi todella haastava. Ystävämme olisi jokseenkin samanlaisessa tilanteessa kuin nykypäivän fyysikot, kun he yrittävät selvittää, miten maailmankaikkeus syntyi – mitkä olivat reunaehdot ajan alussa. Tieteen reunaehdot eivät liity ainoastaan maailmankaikkeuden historiaan. Ne kertovat yleisesti asiaintilan tietyllä ajanhetkellä, esimerkiksi laboratoriokokeen alussa. Toisin kuin pienoisrautatien tai laboratoriokokeen tapauksessa, maailmankaikkeuden kohdalla ei yleensä voi asettaa reunaehtoja. Yksi Hawkingin lempikysymyksistä on, kuinka monella tavalla maailmankaikkeus on voinut saada alkunsa ja silti päätyä nykyisin havaittavan kaltaiseksi – olettaen, että meillä on oikea tietämys ja ymmärrys fysiikan laeista eivätkä ne ole muuttuneet. Hän käyttää käsitettä ”nykyisin havaittavan kaltainen maailmankaikkeus” yhtenä reunaehtona. Toisena, joskin hienovaraisempana, on fysiikan lakien soveltaminen ja oletus siitä, etteivät ne ole muuttuneet. Hawking etsii vastausta kysymykseen, mitkä olivat reunaehdot maailmankaik keuden alkuhetkellä eli ”maailmankaikkeuden alkuehdot” – täsmällinen asiaintila, kun kaikki alkoi. Siihen lukeutuvat myös pienet lain alaisuudet, joiden oli tuolla hetkellä oltava voimassa, jotta maailman kaikkeus olisi tulevaisuudessa jollakin tietyllä hetkellä sellainen kuin havaitsemme sen olevan. Tätä kysymystä pohtiessaan Hawking on tehnyt kaikkein mielenkiintoisinta tutkimusta ja löytänyt kaikkein yllättävimpiä vastauksia. Hiukkasten ja voimien yhtenäinen kuvaus ja tietämys maailmankaikkeuden alun reunaehdoista olisi ällistyttävä tieteellinen saavutus, mutta se ei silti olisi Kaiken teoria. Sen lisäksi teorian pitäisi antaa kaikissa nykyisissä teorioissa ”mielivaltaisina luonnonva kioina” olevien arvot. 22