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.
Taustatietoa
200px|thumb|left|Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan painovoimakenttien muutokset saattavat muuttaa ajan kulumista ihmisen lähiympäristössä, mutta koska niin ihmisaivot kuin kellotkin toimivat aikaan sidotulla nopeudella, näitä pieniä muutoksia ei huomata.
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.Kosmoksen rakenne s. 446 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.
Fysiikan lait ja aikamatkustus
thumb|400px|left|Yleisen suhteellisuusteorian mukaan kaikki kappaleet (kuvassa Maapallo) taivuttavat jonkin verran aika-avaruutta, joka voidaan ajatella kalvomaisena pintana. Aikamatkailun perusajatuksiin kuuluu, että jonkin huippumassiivisen kohteen kuten mustan aukon singulariteetti saattaisi tehdä reiän aika-avaruuteen. Koska aika-avaruuden ”kalvo” ei ole suora, kohde tekisi reiän myös jollekin muualle pisteelle ”kalvolla”. Mikäli ajan kulun nopeudet poikkeaisivat aukon päissä, teoriassa kulkemalla aukkojen välistä tunnelia pystyisi matkustamaan ajassa.
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.Hawking 2003, Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa
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.Kosmoksen rakenne s. 435 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.
Ihmisen mahdollisuudet matkustaa ajassa
Aikakone
thumb|200px|Taiteilijan näkemys madonreiästä. Madonreiän avulla havaitsija voisi siirtyä pisteestä A pisteeseen B (vihreä nuoli) nopeammin kuin ”tavallista” reittiä aika-avaruutta pitkin (punainen nuoli).
Jos suhteellisuusteoria mahdollistaa aikamatkailun, olisi myös periaatteessa mahdollista rakentaa tai luoda laite, jolla pystyisi matkaamaan ajassa. Teoriassa tällainen kone voitaisiin rakentaa,'The quantum physics of time travel', Scientific American, march 1994, s. 68–74. 'Negative energy, wormholes and warp drive', Scientific American january 2000, s. 30–37. 'Star trecking', New Scientist 15.4.00. s. 12. 'How to build a time machine', Scientific American september 2002, s. 32–37. 'How to build a time machine', Focus march 2003, s. 38–41. 'No going back', New Scientist 20.9.03. s. 28–32. 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.