Suomalaisfyysikot ovat valmistaneet kvanttimateriaalin, jota osattiin ennustaa yli vuosikymmenen ajan. Mistä on kyse? Nämä niin sanotut "topologiset" materiaalit voisivat mullistaa tulevaisuuden tietokoneet – ja nyt sellainen saattaa toimia huoneenlämmössä.

Heidelbergin yliopiston fyysikot ovat ratkaisseet vuosikymmeniä vanhan kvanttifysiikan arvoituksen. He osoittivat, miten kaksi näennäisesti vastakkaista teoriaa pienistä hiukkasista liittyvät todellisuudessa yhteen. Tutkimus keskittyy näennäisesti mahdottomalta vaikuttavaan ilmiöön: niin raskaaseen hiukkaseen, ettei sen pitäisi juuri liikkua, mutta joka silti synnyttää aaltoilua kvanttiavaruudessa. Tätä ilmiötä tutkijat ovat yrittäneet selittää jo yli 50 vuoden ajan.

Yli 400 vuoden ajan merimiehet ovat nähneet merellä jotain taianomaista. Aava meri hohtaa valkoisena, kuin joku olisi laittanut宇宙valoitan päälle aaltojen alla. Vaikka ilmiötä on havainnoitu vuosisatoja ja nykyään meillä on satelliittejakin, tutkijat eivät osaa vieläkään selittää sitä täysin. Ja rehellisesti sanottuna? Tällainen mysteeri on juuri syy, miksi valtameret kiehtovat minua loputtomasti.

Fyysikko on luonut laboratoriossa pienen kosmoksen, jossa aika ei kulu ulkoisesta kellosta, vaan syntyy luonnollisesti järjestelmästä itsestään – ja salainen ainesosa saattaa olla kaaos eli tarkemmin sanottuna entropia. Oletko koskaan katsonut tähtiä ja miettinyt: mitä aika oikeastaan on? En tarkoita päivämäärää tai seuraavaa lomaa. Tarkoitan ajan varsinaista, perustavanlaatuista luonnetta. Entä jos kertoisin, että maailman fiksummat ihmiset saattavat ajatella, että aika ei ole universumin sisäänrakennettu ominaisuus? Juuri tätä yksi Birminghamin yliopiston fyysikko on tutkinut, ja hänen uusin kokeensa on äärimmäisen kiehtova. Hän loi pienen, suljetun universumin laboratorioonsa ja kysyi: voimmeko seurata aikaa täällä katsomatta koskaan kelloa? Vastauksen ennakkokuvaus: näyttää siltä, että kyllä – mutta ei aivan sillä tavalla kuin saattaisit odottaa.

Kelloton universumi -ongelma

Tässä on jotain, mikä pyörii mielessäni aina uudestaan: suurin osa fysiikan peruslaeista ei oikeastaan välitä ajan suunnasta. Aja ne eteenpäin tai taaksepäin – yhtälöt toimivat samalla tavalla. Mutta todellisessa elämässä koemme selvästi, että aika virtaa yhteen suuntaan. Vanhenemme. Munat menevät rikki, mutta eivät korjaannu. Kuuma kahvi jäähtyy, mutta ei koskaan lämpenisi itsestään. Tämä ristiriita fysiikan ja kokemamme välillä on nimeltään "ajan nuoli" -ongelma, ja se on askarruttanut fyysikkoja yli sadan vuoden ajan.

Nyt asiat menevät todella oudoiksi. Jotkut fysiikan kunnianhimoisimmista teorioista – mukaan lukien yritykset yhdistää kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa (eli "kvanttigravitaatio") – viittaavat siihen, että universumilla itsellään ei ehkä ole sisäänrakennettua kelloa. Kuuluisa Wheeler-DeWittin yhtälö kuvaa käytännössä koko kosmosta yhtenä jäätyneenä kvanttitilana ilman ulkoista ajanmittaria. Mutta jos taustalla ei ole kosmista kelloa, mistä tuttu ajan virtaus oikein tulee?

Universumin rakentaminen laatikkoon

Juuri tätä professori Giovanni Barontini ryhtyi tutkimaan kokeella, joka on yhtä aikaa loistava ja surrealistinen. Hän loi sen, mitä hän kutsuu "miniuniversumiksi", käyttämällä 24 000 ultrakylmää atomia – atomeja, jotka on jäähdytetty niin lähelle absoluuttista nollapistettä, että ne alkavat käyttäytyä tavoilla, jotka vaikuttavat mahdottomilta arkielämässä. Nämä atomit suljettiin eristettyyn astiaan ja jaettiin kahteen alueeseen laservalojen avulla luodulla esteellä. Toista aluetta hän kutsui "valoisaksi" alueeksi (jossa mittaukset tehdään) ja toista "pimeäksi" alueeksi (joka pysyy havaitsemattomana). Koko järjestely eristettiin täysin ulkomaailmasta – ei ulkoisia kelloja, ei häiriöitä, vain tämä pieni kvanttioutous laboratorion kelluvassa tilassa. Ja sitten tapahtui jotain kaunista.

Pienen alkuräjähdyksen (ja kutistumisen) katsominen

Tämän miniuniversumin sisällä valoalue alkoi tehdä jotain merkittävää: se laajeni ja supistui toistuvasti, kuin pienenpieni, silmukkamainen versio alkuräjähdyksestä, jota seuraisi hypoteettinen suuri romahdus – skenaario, jossa universumin laajeneminen kääntyy lopulta päinvastaiseksi ja kaikki romahtaa takaisin yhteen. Koska järjestelmä oli täysin eristetty, professori Barontini ja hänen tiiminsä saattoivat seurata tapahtumia vain järjestelmän sisäisestä informaatiosta käsin. He eivät voineet kurkistaa mitään ulkoista laboratorion kelloa. Heidän piti rekonstruoida tapahtumien järjestys puhtaasti miniuniversumin sisäisistä kulkemisista.

Tässä tulee mieltäräjäyttävä osuus: se toimi. He onnistuivat järjestämään tapahtumia ajassa ilman ulkoista vertailukohtaa.

Todellinen salaisuus: kaikki liittyy entropiaan

Joten mikä piti yllä aikaa tässä pienessä kosmoksessa? Vastaus tutkimuksen mukaan on entropia – pohjimmiltaan mitta epäjärjestyksestä tai leviämisestä järjestelmässä. Kun atomit liikkuivat valoisan ja pimeän alueen välillä, entropia (epäjärjestys, leviäminen) pysyi muuttumassa. Kun hiukkasten jakautuminen valoisalla alueella kasvoi tai väheni, järjestelmä liikkui tehokkaasti eteenpäin ajassa. Ja tässä tulee yllättävä käänne: kun hiukkasten jakautuminen lakkasi muuttumasta, aika itsessään tehokkaasti pysähtyi. Professori Barontini kutsuu tätä "entropiseksi ajaksi", eikä kyse ole vain filosofisesta ideasta – kokeilu osoitti, että tämä ajan muoto:

• Virtaa yhteen johdonmukaiseen suuntaan (tuottaen tuon tutun ajan nuolen)
• Järjestää tapahtumat oikein silloinkin, kun universumi käy läpi laajenemista ja supistumista
• Voi nopeutua tai hidastua sen mukaan, miten entropia jakautuu uudelleen

Ajattele asiaa näin: sen sijaan että aika olisi näyttämö, jolla tapahtumat tapahtuvat, entropia muuttuu ajaksi. Epäjärjestyksen muutokset OVAT kellon tikitystä.

Miksi tällä on väliä (paljon)

Tässä on miksi olen aidosti innoissani tästä tutkimuksesta. Olemme tienneet pitkään, että aika käyttäytyy eri tavalla kvanttimekaniikassa kuin arkikokemuksessamme, mutta näiden ideoiden testaaminen on ollut käytännössä mahdotonta, koska emme voi oikeastaan ajaa kokeita koko universumilla. Tämä miniuniversumi muuttaa tilanteen. Ensimmäistä kertaa tiedemiehillä on hallittu laboratorioympäristö, jossa he voivat testata ajan luonteeseen liittyviä ideoita, jotka aiemmin olivat pelkkää teoreettista spekulointia.

Tutkimusryhmä osoitti myös, että kuuluisa Schrödingerin yhtälö – kvanttimekaniikan perusyhtälö – voidaan muotoilla uudelleen tämän entropisen ajan käsitteen avulla. Tämä tarkoittaa, että tiedemiehet voivat edelleen ennustaa, miten kvanttijärjestelmät kehittyvät, vaikka aika määriteltäisiin puhtaasti sisäisten muutosten eikä ulkoisen kellon kautta.

Suurempi kuva

Olen rehellinen: osa minua pitää koko tätä konseptia sekä jännittävänä että hieman pelottavana. Jos aika syntyy jostain niin arkiselta vaikuttavalta kuin hiukkasten leviäminen järjestelmässä, mitä se tarkoittaa todellisuuden ymmärtämisellemme? Ovatko ajan hetket todellisia, vai ovatko ne vain hyödyllisiä illuusioita, joita muuttuva entropia luo? Professori Barontini itse tiivisti sen kauniisti: "Arjessa aika virtaa menneisyydestä tulevaisuuteen – miksi näin on, kun suurin osa peruslaeista toimii samalla tavalla eteen- ja taaksepäin?" Emme vieläkään tiedä täydellistä vastausta tuohon kysymykseen. Mutta kokeet kuten tämä valaisevat hitaasti, huolellisesti tietämyksemme rajoja.

Mitä seuraavaksi?

Tutkimusryhmä pyrkii nyt laajentamaan tätä lähestymistapaa monimutkaisempiin kvanttijärjestelmiin. Lopulta tämä voisi avata oven laboratoriokokeisiin, jotka tutkivat todellisen alkuräjähdyksen fysiikkaa, simuloituja mustia aukkoja ja kilpailevia teorioita siitä, miten aika toimii koko kosmoksessa. Nämä ovat uskomattoman kunnianhimoisia tavoitteita. Mutta juuri se tekee fysiikasta niin ihmeellistä – valmiutta kysyä kysymyksiä, jotka vaikuttavat lähes liian perustavanlaatuisilta kysyttäviksi, ja sitten todella suunnitella kokeita niiden tutkimiseksi.

Toistaiseksi aion istua täällä ja ajatella sitä tosiasiaa, että Birminghamissa, Englannissa, olevassa pienessä laatikossa 24 000 atomia luo omaa aikakäsitystään, yksi entropiamuutos kerrallaan. Ja jotenkin se saa minut tuntemaan oloni hieman enemmän yhteydessä tähän mysteeriin.

Mitä sinä ajattelet? Tuntuuko aika sinusta todellisemmalta, kun tiedät sen saattavan syntyä kaaoksesta, vai tuntuuko se siltä, että se on vieläkin illuusioisempi? Haluaisin kuulla ajatuksesi.

Tähtitieteilijät ovat kehittäneet uusia tapoja havaita yksi tieteiskirjallisuuden villeimmistä ideoista: jättimäisiä rakennelmia, jotka vieraat sivilisaatiot ovat rakentaneet tähtien energian hyödyntämiseksi. Tuore tutkimus paljastaa, millaisilta nämä niin sanotut Dysonin pallot näyttävät kaukoputken läpi — ja miksi yksi tähtityyppi on osoittautunut lupaavimmaksi kohteeksi.

Tutkijat ovat havainneet, että bakteerit eivät ole pelkkiä pieniä biologisia konemiesineitä – ne oppivat kokemuksista, muistavat menneitä tapahtumia ja välittävät nämä muistot jälkeläisilleen. Löydös saa meidät ihmiset kyseenalaistamaan sen, mitä pidimme omana erikoisuutenamme: kyky muistaa menneisyys.

Tähtitieteilijät ovat löytäneet kvasaareja ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli vasta reilut 670 miljoonaa vuotta vanha. Mutta tiedettä paremmin — näiden valtavien kosmisten rakennelmain ei pitäisi voida olla olemassa niin aikaisin. Tämä löytö pakottaa tutkijat kyseenalaistamaan kaiken, mitä he tietävät mustien aukkojen kasvusta.

Harvardin insinöörit ovat kehittäneet tavan, jolla sama piiteknologia, joka pyörittää läppäriäsi, voidaan muuttaa DNA:n kirjoituskoneeksi. Kyseessä on läpimurto, joka voi mullistaa kaiken lääketieteellisestä diagnostiikasta aina tiedon tallentamiseen pysyvästi.

Tutkijat ovat tehneet hämmästyttävän läpimurron. He onnistuivat kuvaamaan ensimmäistä kertaa eläviä kalmarihaitoja niiden luonnollisessa syvänmeren elinympäristössä. Otus näyttää siltä kuin se olisi hypännyt suoraan scifi-elokuvasta. Tämä löytö ei ainoastaan lisää tietämystämme näistä "elävistä fossiileista" – se voi mullistaa koko suojelutyömme.

Kuvittele planeetta, jonka toisella puolella on polttava helvetti ja toisella jäätävä kylmyys, joka saa jopa Etelämantereen näyttämään trooppiselta lomakohteelta. Kuulostaa scifiltä, eikö? Mutta tässä on se juttu: tutkijat uskovat, että tämä äärevä ympäristö saattaa hyvinkin suosia elämää. Kannattaa kuunnella.

Entä jos lämpöä voisi ohjata juuri sinne minne haluaa ja pitää se siellä — vaikka virta katkaistaisiin? Siinä onnistuivat juuri Osakan metropoliyliopiston tutkijat. He kehittivät uudenlaisen ohjelmoitavan materiaalin, joka pystyy ohjaamaan lämpösäteilyä tarpeen mukaan.