Maljat ennen vai jälkeen

19.2.2021 klo 23.40, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Seuratessani eilen Perseverance-luotaimen laskeutumista monitorilta mietin samaa kuin katsoessani kahdeksan vuotta aiemmin Curiosityn laskeutumista Heurekan planetaariossa: ajan suhteellisuutta.

Mönkijän putoaminen ilmakehän reunalta Marsin pinnalle kestää seitsemän minuuttia. Eilen Mars oli yhdentoista valominuutin päässä Maasta, eli mönkijän ja sitä kantaneen avaruusaluksen radiosignaaleilla kesti yksitoista minuuttia matkata tänne.

Valonnopeutta ei voi ylittää, joten kun NASAn kontrollihuoneeseen tulee viesti, että alus on saapunut ilmakehään, on liian myöhäistä vaikuttaa laskeutumiseen mitenkään. Helposti siis ajattelee, että mönkijä on laskeutunut jo neljä minuuttia sitten, nyt vain odotetaan tietoa siitä, miten kävi. Voi jopa tuntua siltä, että olisi johdonmukaisempaa kilistellä laseja silloin, kun kellon mukaan mönkijä koskettaa Marsin kamaraa, ja tarkistaa vain radioviesteistä myöhemmin, että kaikki tosiaan oli sujunut hyvin.

Ei kuitenkaan ole mielekästä sanoa, että mönkijä oli jo laskeutunut, ennen kuin viesti siitä ehtii meille, koska samanaikaisuus on suhteellista.

Jos kaksi eri paikoissa tapahtuvaa asiaa –mönkijä koskettaa Marsin pintaa, Maassa maljojen reunat kohtaavat sen juhlistamiseksi– ovat meidän kellomme mukaan samanaikaisia, niin ne tapahtuvat kaikkien meidän suhteemme liikkuvien havaitsijoiden mukaan eri aikaan. Tämä on esimerkki siitä, että suppean suhteellisuusteorian mukaan kaikki aikavälit ovat suhteellisia, eli erilaisia eri havaitsijoille. Samanaikaisuushan tarkoittaa sitä, että kahden tapahtuman aikaväli on nolla.

Aikavälien suhteellisuus on mitättömän pieni, elleivät nopeudet ole lähellä valonnopeutta. Yllämme 4 kilometriä sekunnissa kiitävästä GPS-satelliitista katsottuna kilistämme maljoja 0.03 nanosekuntia ennen mönkijän laskeutumista; tai 0.03 nanosekuntia sen jälkeen, jos satelliitti liikkuu vastakkaiseen suuntaan.

Aikavälien muutos on iso vain lähellä valonnopeutta. CERNin LHC-kiihdyttimessä, missä protonit matkaavat kohti toisiaan 99.999998% valonnopeudella, niiden törmäykset tapahtuvat meidän silmissämme 6900 kertaa hitaammin kuin protoneille itselleen.

Periaate on kuitenkin sama, riippumatta siitä onko vaikutus iso vai pieni: asioiden voi sanoa tapahtuneen vasta sitten, kun ne ovat niin kaukana menneisyydessä, että niistä olisi ehtinyt tulla meille signaali. Kysymys siitä, mitä Perseverance puuhaa Marsin pinnalla juuri nyt, tai mitä Auringon magneettikenttä tekee juuri nyt, tai mitä viereisessä huoneessa tapahtuu juuri nyt, ei ole hyvin määritelty.

19 kommenttia “Maljat ennen vai jälkeen”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Entä miksei Einsteininkin ihmettelemää aavemaista (spooky) kaukovaikutusta otettu käyttöön, jolloin tuo samanaikaisuuden pohdinta olisi turhaa jorinaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kvanttifysiikan kaukovaikutuksen ei liity informaation siirtyminen valoa nopeammin.

      Tarkemmin:

      https://journal.fi/tt/article/view/8261/6268

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/miksei-kukaan-ymmarra/

  2. Joksa sanoo:

    Aika-avaruus on teoreettinen käsite eikä sisällä yleistä referensikelloa eri liiketiloissa oleville, mutta eikös sellainen ole maailmankaikkeudessa? Eikö esim. taustasäteilyn lämpötila tai sen keskimääräinen aallonpituus mittaa maailmankaikkeuden aikaa yhtenevästi kaikkialla mikäli maailmankaikkeus laajenee samaa tahtia kaikkialla ja mittaukset voitaisiin tehdä tarkalla tasolla. Eikö sen avulla voi määritellä periaatteellisen kosmisen yhtäaikaisuuden tyyliin ”juuri silloin kun taustasätelyin lämpötila oli/tulee olemaan se ja se”, riipumatta siitä mitä kunkin havainnoijan omat kellot näyttävät ko ajankohtana?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä tosiaan. Ja tällaista ajan määritelmää käytetäänkin kosmologiassa. Kun sanotaan, että maailmankaikkeus on 14 miljardia vuotta vanha, niin tarkoitetaan sellaisten havaitsijoiden kelloja, jotka näkevät kosmisen mikroaaltotaustan tilastollisesti samanlaisena joka suunnassa (tai yksinkertaisemmin, joille sen dipoli on nolla).

      Mutta yhtä hyvin voi sitoa ajan määritelmän mihin tahansa muuhun fyysiseen tapahtumaan. Kosmisessa mikroaaltotaustassa ei ole tässä suhteessa mitään erityistä.

      1. Joksa sanoo:

        Aristoteles piti aikaa pragmaattisena muutoksen mittana. Tarvitaan vaan jotakin, kappaleita, aine, joka voi muuttua ja joka luo ja määrittää ajan kulun. Jos ei ole ainetta, ei ole eikä tapahdu mitään eikä aika kulu. Koska kukin peraatteessa voi mitata aikaa haluamillaan enemmän tai vähemmän säännöllisillä muutoksilla, ja jos viestinvälitys ottaa aikansa niin samanaikaisuuden määrittäminen voi olla pahasti hukassa, suorastaan mahdotonta, etenkin jos ei ole käytössä mitään yhteistä synkronointilähdettä.

        Suhtiksen ajan luonne esitetään useimmiten juuri tällaisena, eri havainnoijien yhteismitattomina ajankulkuina, hyvin Aristoteleen aikäkäsityksen oloisena ilmiönä. Esim. Carlo Rovelli sanoo kirjassaan ”Ajan luonne” että ”Maailmankaikkeuden nykyhetki on merkityksetön käsite”.

        Newton oli ajasta päinvastaista mieltä, eli että aika on ”absoluuttinen, todellinen ja matemaattinen”, ja että aika kuluu vaikka ei olisi mitään eikä mikään muuttuisi. Tuo taustasäteilyn nolladipoliaika vaikuttaisi melkolailla Newtonilaisen luonteiselta universaaliselta ajalta. Ei ehkä täydellisen absoluuttista koska ajan kulkuvauhti noin mitattuna voi muuttua maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden myötä ja niillä joilla tuo dipoli ei ole nolla ajan, itseisajan, kulku voi on jotain muuta. Koska mikään maailmankaikkeudessa ei ole täysin paikallaan niin kaikkien itseisajat poikkeavat ainakin hitusen nolladipoliajasta, mutta silti se vaikuttaisi luovan pohjan universaalille samanaikaisuudelle.

        Katsoisin ajan luonteeseen sisältyvän nuo molemmat kompponentit, sekä Aristoteelisen että Newtonin näkemysten luonteiset. Suhtis matematisoi Aristoteelisen osuuden ja täydentää siten Newtonilaista näkemyksen samaan tapaan kuin kappaleiden radan laskennassa. Samanaikaisuushan on loppujen lopuksi aina aproksimaatio koska Planckin tarkuudella eivät atomikellotkaan toimi, taustasäteilystä laskettu aika on vaan näistä karkeampi. Ainakin toistaiseksi.

        Toivottavasti tästä on jotakin iloa ajan luonteesta kiinnostuneille.

  3. Minusta näyttää että ollakseen suhteellisuusteorian mielessä jotenkin Lorentz-invariantti, kaukovaikutuksen pitäisi toimia mistä tahansa menneisyyden valokartion ulkopuolelta, ei pelkästään nykyhetkestä jolle ei pitäisi antaa mitään erityisasemaa. Siis myös tulevaisuudesta. Paitsi että se ei ole vaikutus siinä mielessä että informaatiota ei siirry. Mitään ei ehkä siirry, mutta jotain on, nimittäin ne korrelaatiot.

    En ole varma onko tämä oikein ajateltu. Se että Schrödingerin yhtälö on ainakin muodollisesti ei-relativistinen on ymmärrykselleni edelleen jonkinlainen jarru.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, jos ajattelee tilan romahduksen tapahtuvan kaikkialla välittömästi, se menee valokartion ulkopuolelle. Tällöin eri havaitsijoille tila romahtaa eri ajanhetkinä, eli tilan romahdus ei ole absoluuttinen.

      1. Cargo sanoo:

        Mutta eikö tilan romahdus ole lähinnä jakautuneen systeemin ominaisuus, ja koko systeemiä kuvaa vain yksi kello, jolloin mitään suhteellisuutta ei voi ollakaan? Lisäksi tuon romahtamisen havaitseminen taitaa olla hieman ”unusual process”, sillä mitään signaalia siitä ei lähde kaikkien ulkopuolisten havaitsijoiden rekisteröitäväksi. Taas toisaalta, jos havaitsijat ovat lomittuneet havainnoitavan tilan kanssa, niin miten jako suhteelliseen ja absoluuttiseen tapahtuu?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En tiedä mitä tarkoitat sanoessasi, että ”koko systeemiä kuvaa yksi kello”. Eri havaitsijoilla on kullakin oma kellonsa, jonka käynti riippuu heidän liiketilastaan. Ei ole mitään absoluuttista aikaa.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”Mutta yhtä hyvin voi sitoa ajan määritelmän mihin tahansa muuhun fyysiseen tapahtumaan. Kosmisessa mikroaaltotaustassa ei ole tässä suhteessa mitään erityistä.”

    Esim. entropiaan. Sehän on ehkä se yleisin käyttämämme ja tajuamamme ”ajan määritelmä”. Tai millä tahansa tähtitieteen ”kellolla”, esim. tähtisukupolvien metallipitoisuudella ja vastaavasti vedyn ja heliumin määrän muutoksilla kosmologisten eonien saatossa. Esim. triljoona vuotta eteenpäin niin vetyä 20%, heliumia 60% ja muita 20%.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Entropia liittyy tosiaan siihen, että aika menee eteenpäin. Mutta jos halutaan määritellä paljonko se menee eteenpäin, pitää eri havaitsijoilla olla joku asia, jonka kulkua he voivat verrata. Tämä voi olla kosmisen mikroaaltotausta lämpötila, tai samanlainen kaappikello tai jotain. Jos entropian kasvua haluaa käyttää, havaitsijoilla kuitenkin pitää olla samanlainen systeemi, jonka entropian etenemistä tarkastellaan, mikä lienee käytännössä hankalaa.

  5. Cargo sanoo:

    Jos tällainen ajan suhteellisuuden pohdiskelu kiirii filosofian laitoksen kahvihuoneeseen saakka, niin luvassa lienee moderni pythagoralainen tragedia, kun modaalisuuden metafysiikkaa tuskaisina pohdiskelevat filosofit tajuavat, etteivät heidän klassiset teoriansa vastaa todellisuutta kuin rajatapauksina. Vielä kun lisätään syy-seuraussuhteiden kvanttimekaaninen epädeterministisyys, niin näiden maailmanselittäjien ilmeet ovat kuin norjalaisen black metal -bändin promootiokuvastosta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tieteenfilosofit toki tuntevat suhteellisuusteorian ja ovat kirjoittaneet siitä paljon.

  6. Pekka Suikki sanoo:

    Perinteisessä kvanttifysiikassa kahden hiukkasen välisen lomittumisen astetta ei voi muuttaa kajoamatta molempiin hiukkasiin. Uusien mallien valossa tutkijat saattoivat sen sijaan muuttaa kubittien lomittuneisuuden astetta muokkaamalla vain yhtä kubiteista, mitä ei kvanttifysiikassa ole aikaisemmin pystytty osoittamaan. Tämäon suora lainaus T&A nettisivulle ilmestyneestä artikkelista, joka kosketteli Aaltoyliopiston tekemää tutlimusta. Tarkoittaako tämä,että informaatio voisikin siirtyä valoa nopeammin tietyissä olosuhteissa.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei. Tuo juttu on muutenkin harhaanjohtava. Tutkimuksessa on simuloitu tietokoneella erästä systeemiä kvanttimekaniikan epätavallisessa formulaatiossa. Ei siis ole kysymys koetuloksista, jotka olisivat kumonneet mitään.

  7. En oikein ymmärrä ajatusta, että entropialla olisi jotain tekemistä ajan ja sen yhdensuuntaisuuden kanssa. Mielestäni aika on minkä tahansa tapahtuman sisäinen ominaisuus, ja ”yhdensuuntaisuus” sisältyy jo ajan merkitykseen. Tapahtumat voivat olla symmetrisiä, ei aika. Jos meillä on tapahtuma a->b, ja myös tapahtuma b->a on mahdollinen, niin edellisessä tapauksessa a on b:n menneisyyttä ja jälkimmäisessä b on a:n menneisyyttä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aika ei ole aineen ominaisuus. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika on osa aika-avaruuden kokonaisuutta, joka olisi olemassa ilman ainettakin. Ei kuitenkaan tiedetä, miksi ajassa voi matkata vain yhteen suuntaan. Ei myöskään olla varmoja, miten entropian kasvu liittyy tähän.

    2. Jos olisi mahdollista matkustaa aika-avaruudessa menneisyyteen, matkaaja ei kuitenkaan tulisi nuoremmaksi vaan vanhenisi koko ajan. Tämä kertoo jotain ajan alkuperäisestä merkityksestä. Tehtyä ei saa tekemättömäksi eikä tapahtunutta tapahtumattomaksi. Yksisuuntaisuus on ajan looginen ominaisuus.

      Minun on vaikea kuvitella aikaa ilman tapahtumista, ilman kokemista, pelkkänä abstraktina geometriana, ilman kelloja jotka mittaavat maastoa jossa liikutaan.

      Mielestäni ajalla tarkoitetaan näitä kahta asiaa: (1) kokemuksen vaihtumista uudeksi kokemukseksi (alkuperäinen aika) ja (2) sitä mitä mittaamme kelloilla (fysiikan aika).

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        No, fysikaalisen todellisuuden luonnetta ei voi selvittää pohtimalla, ja usein teoriat ovat ristiriidassa omien ajatusten tai filosofisten ideoiden kanssa.

        Mutta yleisen suhteellisuusteorian mukaan ajassa taaksepäin matkustaminen (joka on yleisen suhteellisuusteorian mukaan mahdollista – emme tiedä kuvaako tämä yleisen suhteellisuusteorian piirre todellisututa) tosiaan ei tarkoita sitä, että havaitsijan kello kulkisi taaksepäin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *