Vuosi 2005 oli fysiikan juhlavuosi. Syynä on se, että Albert Einsteinin ihmevuodesta Annus Mirabilis 1905 oli kulunut pyöreät sata vuotta. Tilan puutteen vuoksi otsikossa mainitut humanismi ja pasifismi on pakko jättää parin maininnan varaan. (Armeliaasti, sanoisi joku Einstein-tuntija).
Nykyfysiikan alku lasketaan yleensä Galileo Galileista, joka teki luonnolle kysymyksiä eli fysikaalisia kokeita. Sen jälkeiset käsitykset puki Isaak Newton täsmälliseen matemaattiseen muotoon gravitaatioteoriassaan. 1687 oli ”Principian” ilmestymisvuosi eli yli 300 vuotta sitten.
Newtonilainen maailma on kuin suunnaton avaruusnäyttämö, missä aine eli tähdet käyvät loppumatonta piiritanssiaan keskinäisten vetovoimiensa pakoittamina. Näyttämön yllä ajan kello askeltaa ikuista riippumatonta tiktakkiaan. Newtonin omin sanoin: ”Avaruus on luonteensa mukaisesti ilman suhdetta mihinkään ulkoiseen esineeseen aina sama ja liikkumaton”. Samalla tavalla Newton kuvaa aikaa kaikesta muusta riippumattomana, joka virtaa aina tasaisesti. Hän nimittää sitä myös kestoksi. Pohdiskeluissaan Newton kuitenkin jättää asian puolitiehen ja kehottaa lukijaa ajattelemaan sen loppuun. Miksi? Uskovainen Newton ei ilmeisesti halunnut joutua mukaan loppumattomiin uskonnollisfilosofisiin kiistoihin, joita Augustinuksesta ja Tuomas Akvinolaisesta alkaen oli käyty. ”Hypoteses non fingo” Newton kirjoitti. Tästä kesken jättämisestä Immanuel Kant moitti Newtonia ja syystä. Newtonin klassinen maailmankuva on meidän arkikokemukseen perustuvan ajattelumme pohjalla vielä nykyäänkin. Sen avulla voi turvallisesti navigoida vaikka Marsiin.
Historian jättiläisistä alkanut klassinen fysiikka eteni nopeasti. Tärkeä löydös oli se, että näkyvän valon todettiin olevan vain osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Faradayn ja Maxwellin tutkimusten jälkeen maailmanselityksenä kilpailivat gravitaatiopohjainen ja sähkömagnetismiin perustuva selitys, jotka olivat keskenään ristiriitaiset. 1800-luvun lopulla uskottiin fysiikan olevan jo miltei valmista. Edellisen ristiriidan lisäksi vain muutama kysymysmerkki oli jäljellä.
Albert Einstein syntyi Ulmissa Etelä-saksassa 1879. Vuosi sattui olemaan Maxwellin kuolinvuosi. Albert oli koulussa pikemminkin ihmelapsi kuin jälkeen jäänyt. Kouluvaiheiden läpi hän siirtyi jatkuvasti alaikäisenä. Lapsuudestaan hän itse kertoo kaksi tärkeää episodia. Kun Albert oli 4–5 vuotias hän sai isältään pienen taskukompassin. Albert joutui haltioituneen kiihkon valtaan suuntansa ilman näkyvää syytä säilyttävän neulan ihmeen edessä. Hän muisteli useasti aikuisena tätä tapausta ja tunnetta ”sense of mysterious” sanonnalla. Arvoituksellisuus, salaperäisyys eli tökerönä suomennoksena mysteerin aavistus. Tätä ”Ken sitä ei ole kokenut, ei ole oikeastaan edes elänyt” on sittemmin jatkuvasti mystifioitu. Toinen tapaus liittyi siihen kun perhetuttu opiskelija toi 12 vuotiaalle koululaiselle tasogeometrian oppikirjan. Einstein oli siihen mennessä jo itse omatoimisesti todistanut Pythagoraan väittämän. Nyt Albert kävi yksin läpi koko Eukleideen ja nimitti kirjaa pieneksi, pyhäksi punaiseksi kirjakseen. Aikuisena hän totesi myös Eukleideen rajoitukset. Samanlaisia vibroja Eukleideen äärellä oli nuori Newton aikanaan monen muun ohella kokenut. Myöhemmin kysyttäessä selitystä Einsteinin poikkeuksellisiin saavutuksiin hän mainitsi kolme ominaisuutta, uteliaisuus, lumoutuminen ja itsepintainen jääräpäisyys.
Opiskelu Sveitsissä Zürichin polilla sujui kohtalaisesti. Hermann Minkowskin matematiikan luennot Einstein kuitenkin laisti kun uskoi ettei tule korkeampaa matematiikkaa työssään tarvitsemaan. Tätä hän myöhemmin katui. Opiskelunsa ohella Albert Einstein jatkoi itsenäisesti pohdiskelujaan ja laajan yleistietämyksensä kehittämistä ja syventämistä. Jo 16-vuotiaana hän oli haaveillut – niin kuin hän itse sanoi – mm. valon nopeudella surfaamisesta. Miltä maailma silloin näyttäisi? Näistä haaveiluista kehittyivät Einsteinille ominaiset kuuluisat ajatuskokeet, sellaisten koejärjestelyjen ja kokeiden tulosten pohdiskelu, joita ei (vielä) pystytä tekemään.
Valmistuttuaan Einstein sai lyhyen ajelehtimisen jälkeen vakipaikan Bernin ”henkisen omaisuuden toimistosta” eli patenttivirastosta. Hakemusten käsittely pätevän esimiehen johdolla sparrasi nuoren patenttirengin tieteellis-teknistä ajattelua. Työpaikan saannin edellytyksenä oli Sveitsin kansalaisuus. Einstein avioitui opiskelutoverinsa serbialaisen Mileva Maricin kanssa. Liitosta syntyi kolme lasta. Päinvastoin kuin jotkut feministit väittävät, Milevalla tuskin oli mainittavaa osuutta Albertinsa tieteenteossa. Milevalle jäi vain toverivaimon ja uhrautujan traaginen rooli. Myöhemmin Einstein avioitui toistamiseen serkkunsa Elsan kanssa. Kumpaakin liittoansa hän jälkeen päin piti erehdyksinä. Niin pitivät muutkin.
Ihmisenä Albert Einstein oli ennen kaikkea outsider ja henkinen erakko kanssaihmisten keskelläkin. Tieteensä ulkopuolella hän oli todellinen kosmopoliitti ja hyvin ristiriitainen pasifisti. Jo silloin Einstein oli Saksan ja Ranskan vihanpidon vastustaja eli EU-kansalainen ennen ensimmäistä maailmansotaa. Sodan aikana hän ei allekirjoittanut saksalaisen älymystön vetoomusta muulle maailmalle, ns. 93:n julistusta. Outsider-rooli näkyy Einsteinin elämän kaikissa vaiheissa. Hän syntyi Saksassa juutalaiseen mutta maallistuneeseen sukuun. Hän ei siis ollut arjalainen mutta ei myöskään Mooseksen uskoinen. Einstein piti armeijoita, aseistamista ja sotaa todella mielettöminä. Kansallisvaltioihin hän suhtautui kuin me puhelinoperaattoreihin. Hän oli vuorotellen saksalainen (Württenberg), sveitsiläinen, saksalainen (Weimarin tasavalta), amerikkalainen. Poliittiselta ajattelultaan Einstein oli lähellä sosiaalidemokraatteja. Hän suhtautui Neuvostoliittoon myönteisesti ja hyväksyi vieläpä Stalinin puhdistukset alkuvaiheessa. Hän yritti edistää Kansainliikkeen työtä ja totesi pettyneenä sen hampaattomuuden. Myöhemmin kun hän koki olevansa juutalainen yhä vahvemmin hän ymmärsi myös palestiinalaisia ja ehdotti Israelin perustuslaiksi Sveitsin kaltaista. Vaikka hänen kuuluisa kaavansa E=mc2 johtikin vain 40 vuodessa atomipommiin, hän vastusti loppulämänsä atomiaseita kiihkeästi. Hän ei ollut atomipommin isä. Einstein joutui 1933 pakenemaan Natsisaksasta ja vietti loppuelämänsä Princetonissa USA:ssa. Siellä hän yritti kehittää suhteellisuusteoriat ja kvanttifysiikan yhdistävää Suurta Yhtenäisteoriaa – turhaan. Fysiikassa sivuraiteelle joutuneen Einsteinin päivät täyttyivät myös jo Saksassa alkaneesta harrastuksesta – purjehtimisesta. Kaikki muu on turhaa paitsi purjehdus… Albert Einstein kuoli 1955.
Entä oliko Albert Einstein ”uskovainen”? ”Oli”. Tästä on kirjoitettu erillisiä kirjojakin. Albertilla on vientiä. Luopuessaan Saksan (Württenbergin) kansalaisuudesta välttääkseen sotapalveluksen 16 vuotias Einstein merkitytti papereihinsa ”uskontokuntaan kuulumaton”. Vastauksena suomalaisen V.T. Aaltosen kysymykseen Einstein viimeisinä elinvuosinaan kirjoitti että pitää henkiolentoihin uskomista suorastaan lapsellisena. Hän sanoi ettei usko Jumalaan joka on
Toisessa yhteydessä hän sanoi jumalansa olevan pikemminkin Spinozan jumala. Spinozan jumala oli ”substanssi” eli luonto. Einstein koki tieteellisen työnsä kosmisen uskonnon harjoittamiseksi. Hän laski jatkuvasti leikkiä Jumalasta (joka oli kyllä hyvin antropomorfinen). Kuuluisin on Einsteinin tokaisu ”Gott würfelt nicht, Jumala ei pelaa noppaa”. Tämä lause missä oli välillä myös ”yläkerran ukko”, tai ”vanhus” liittyi Einsteinin ja kvanttifyysikoiden kiistoihin ja siitä ei saa teologiaa vaikka kuinka yrittäisi. Asia erikseen ja Einsteinin pohjanoteeraus oli, kun hän ennen vuoden 1930 Amerikan matkaa kirjoitti otsikolla ”Wie ich die Welt sehe, kuinka koen maailman” maailmankatsomuksestaan. Teksti oli tarkoitettu amerikkalaiselle yleisölle eikä sitä (armeliaasti) ole usein Euroopassa julkaistu. Siinä näkyy vieläpä eräänlainen ID-ajattelu: ”Maailma on niin komplisoitu ettei se ei voi olla sattuman tulosta…”
Ensimmäisenä tuotteliaana kautetaan ihmevuonna 1905 silloin 26 vuotias Albert Einstein julkaisi viisi tieteellistä artikkelia joista neljä voidaan katsoa nobeltasoisiksi. Tekstit hän tuotti kokopäivätoimisen patenttivirkailijan työnsä ohella. Myös lauantait olivat silloin työpäiviä. Ensimmäinen teksti jatkoi Max Planckin pohdiskeluja vuodelta 1900. Einstein antoi Planckin teoreettiselle laskuapuvakiolle fysikaalisen sisällön. Tähän liittyi Einsteinin kolmesta huikeasta oivalluksesta ensimmäinen: Aaltoluonteensa lisäksi valolla on myös hiukkasominaisuus. Löydöksensä Einstein puki eleganttiin valosähköisen ilmiön kaavaan. Tämä merkitsi kokonaan uuden todellisuuden kuvaustavan, kvanttifysiikan tietoista alkua. Valon kaksinainen luonne – dualismi – aaltoja ja partikkeleita oli keksijälle itselleenkin häkellyttävä ja vallankumouksellinen. Einstein ei tätä sanaa käyttänyt työnsä yhteydessä koskaan muualla, vain tässä. Löydös sai osakseen aluksi tiedeyhteisön raivokkaan vastarinnan. Esim. Nils Bohr piti sitä naurettavana ja Max Planck puhui nuorekkaasta ylilyönnistä. Mittaukset ja kokeet osoittivat kuusi vuotta myöhemmin että väite oli oikea. Einsteinin kaikista oivalluksista ehkä tämä on poikinut eniten käytännön sovelluksia. Tunnetuin on aurinkokenno.
Kuuluisin vuoden 1905 tuotos oli otsikoitu ”liikkuvien kappaleiden sähködynamiikasta”. Teksti sisältää suppean suhteellisuusteorian ensiesityksen. Artikkelin nimi viitannee aiemmin mainittuihin kilpaileviin maailmanselityksiin. Teorian matematiikka on vastoin yleistä luuloa helppoa ja lukiotasoista. Vaikeus on lehtimiesten keksintöä. Einstein päätyi teoriaansa pohdittuaan seitsemän vuotta sitä mitä tarkoittaa ”nyt” sekä fysiikan että elämyksen kannalta. Hän hylkäsi eetterin turhana. Suppeassa suhteellisuusteoriassa on kyse toistensa suhteen tasaisessa liikkeessä olevista kappaleista ja valosta. Suppeaan teoriaan liittyi toinen Einsteinin huikea oivallus, ajan käsitteen uudelleenarviointi. Newtonilaista universaaliaikaa ei ole, on vain erilailla tikittäviä kelloja. Kuten opiskeluaikana sanottiin, ei ole aikaa on vain kello ja sekin kanissa. Einsteinin matematiikan opettaja Hermann Minkowski muovaili 1907 Einsteinin matemaattisen esitystavan elegantimpaan ja kiehtovampaan neliulotteisen aika-avaruusjatkumon muotoon. Aika on siis yksi avaruuden ulottuvuus joka ei virtaa. Se poikkeaa muista kuitenkin siinä että sitä pitkin on pakko liikkua alati ja pakollinen ajosuunta on vain tulevaisuuteen. Liikkuvilla kappaleilla on jokaisella omat ”nyt” hetkensä ja kellonkäyntinsä. Mitä liukkaammin liikkuu sitä hitaammin kello käy. Tyhjiössä kulkevalla valolla on avaruuden kattonopeus, jota mikään massallinen partikkeli ei voi saavuttaa ylittämisestä puhumattakaan. Valon nopeudella liikuttaessa aika on pysähtynyt, valon kello seisoo. Toisaalta paikallaan pysyvän kello käy nopeimmin. Tämä oli Minkowskin lisäinnovaatio jota nimitetään ominaisajaksi. Ei siis pidä jäädä päätteen ääreen löhöämään. Liikkeen suuntaiset mittakepit lyhenevät ja ohi pyyhältävät alusvaatemallit ovat menettäneet kuppikokonsa. Heidän rannekellonsakin näyttävät jätättävän. Itse avaruuskin näyttää lyttääntyvän. Liikkuvien kappaleiden massa kasvaa. Tämän Einstein huomasi vasta tekstinsä lähettämisen jälkeen ja postitti perään lisäyksen jossa on maailman kuuluisin fysiikan kaava E=mc2 tosin alunperin eri muodossa. Einsteinin omin sanoin: ”kappaleen massa on sen energiatiheyden mitta. Jos energia muuttuu määrällä L, massa muuttuu vastaavasti määrällä L/9×1020 kun energia on ergeissä ja massa grammoissa”. Tuo 9×1020 on valon nopeuden neliö cm/s. Tästä voidaan kirjoittaa E=mc2 eli massan ja energian ekvivalenssilause.
Miksi emme sitten esim. Formulakisoissa koe näitä ilmiöitä ja ajanottokin sujuu aivan perinteisesti? Syynä on valon suunnattoman suuri nopeus formuloihinkin verrattuna ja ns. Lorentz-muunnoksen luonne. Lorentzin muunnoskaavoista lasketaan liikkuvien kappaleiden muuttuneet mitat ja ajat ja massat. Ajan hidastuminen – aikadilataatio ja muut ilmiöt tulevat merkittäväksi vasta lähellä valon nopeutta liikuttaessa relativistisilla nopeuksilla. Huomattakoon että jos valon nopeus olisi ääretön kuten ennen tähtitieteilijä Ole Römeriä luultiin, syyn ja seurauksen kausaalilaki ei aina olisi voimassa ja meidän kotiolevaisuutemme olisi mahdoton. Realativistisia nopeuksia esiintyy vain laboratorioiden hiukkaskiihdyttimissä, avaruussäteilyssä ja tieteisromaaneissa. Joitain vuosia suppean teorian julkistamisen jälkeen huomattiin, että relativistiset ilmiöt voivat, jos toinen liikkujista on kiihtyvässä liikkeessä olla epäsymmetrisiä. Kahdesta kaksosesta supernopean avaruusmatkan kiertänyt on kotiutuessaan nuorempi kuin himaan jäänyt. Tämä on kuuluisa kello- eli kaksosparadoksi. Mutta muistakaa että kotiintulija tulee menneisyydestä, ei tulevaisuudesta vaikkakin hyvin säilyneenä.
Suppea suhteellisuusteoria sisältää vielä newtonilaisena reliktinä passiivisen avaruuden mielikuvan. Siksi Einstein piti sen luomista vain alkuverryttelynä. Jo patenttirenkinä työskennellessään hän oli 1907 saanut elämänsä – kuten hän sanoi – onnellisimman oivalluksen: hidas ja painava massa on sama asia. Ne ovat ekvivalenttisia. Tämä oli Einsteinin kolmas huikea oivallus. Siitä alkoi yleisen suhteellisuusteorian kehittely. Nyt ei riittänyt enään lukion matematiikka vaan Einsteinin piti itsekin opiskella korkeampaa matematiikkaa eli tensorilaskentaa useana vuonna. Yleinen teoria tuli ”kahdeksan kiduttavan raadannan täyttämän vuoden” jälkeen valmiiksi 1915/1916 keskellä ensimmäistä maailmansotaa. Toki Einstein teki tällä toisella tuotteliaalla kaudellaan paljon muutakin. Yleisen teorian kehittelyyn osallistui muitakin, esimerkiksi suomalainen Gunnar Nordström. Matemaatikko David Hilbert sai lopulliset yhtälöt valmiiksi viikkoa ennen Einsteinia. Rehtinä työtoverina hän kuitenkin antoi Einsteinille kaiken kunnian kuten oikein oli.
Yleinen suhteellisuusteoria on teoria avaruudesta ja gravitaatiosta. Siinä Newtonin liikkumaton passiivinen näyttämö, itse avaruuskin saa aktiivisen roolin. Aine, energia, aika ja avaruus ovat kaikki olevaisuuden erottamattomia osia, joka venyy ja paukkuu. 4-ulotteinen avaruus ei ole tasainen vaan massa painaa sen ikäänkuin kuopille. Kuoppainen avaruus taas pakottaa aineen, joka kulkee helpointa tietä, liikkumaan kaareutuvia ratoja. Tunnettu slogan sanoo tämän: Aine määrää miten avaruus kaareutuu ja avaruus määrää miten aine liikkuu. Siinä on kosmisen avioehtosopimuksen tuntua.
Saatuaan teoriansa valmiiksi Einstein huomasi että sellainen avaruus räjähtää hajalle. Siksi hän lisäsi yhtälöihinsä ad hoc -tekijän, ns. kosmologisen vakion. 1929–30 Edvin Hubble kuitenkin osoitti, että avaruus todella laajenee. Siksi Einstein poisti kiireen vilkkaa vakionsa ja nimitti sitä elämänsä suurimmaksi mokaksi. Nyt 2003–5 on todettu kuitenkin että avaruuden laajeneminen on vieläpä kiihtyvää joten Einsteinin kosmologinen vakio on päässyt uudelleen kehiin. Tosin eri fyysisessä merkityksessä kuin ennen eli ns. pimeän energian muodossa. Yleisen teorian avaruudessa valon nopeus on edelleen kattonopeus mutta koska massa vaikuttaa valoa taivuttavasti ja massan lähellä kello hidastuu, mustan aukon (se on avaruudessa oleva pohjaton gravitaatiokaivo) lähellä aika näyttää pysähtyvän kokonaan tapahtumahorisontissa. Siellä ei kuitenkaan ole avaruuden Shangri La’ta koska ajan pysähtyminen näkyy vain ulkopuolelta katsoen.
Avaruus on kuitenkin varsin tasainen ja sen kuopat harvassa. Tämä johtuu gravitaatiovoiman ja sähkömagneettisen voiman huikean suuresta kokoerosta. Suhdekertoimessa on neljäkymmentä nollaa eli se on suuruusluokkaa 1040. Tämän vuoksi valo kulkee avaruudessa pääsääntöisesti suoraan. Tämä on meille kauas näkeville savanniapinoille tärkeää, sillä sen vuoksi meillä on mahdollisuus saada avaruuden geometriasta suunnilleen oikea käsitys omin-silmin -menetelmällä.
Einsteinin aikoina suhteellisuusteorioita ei voitu yksikäsitteisesti osoittaa oikeiksi tai vääriksi mitenkään. Valon vähäinen taipuminen auringon ohi kulkiessa oli kuitenkin silloisenkin mittaustarkkuuden rajoissa. Siksi tutkijat – Einstein heidän joukossaan – odottivat jännittyneinä vuoden 1919 auringonpimennystä. Sen aikana otettujen tähtivalokuvien mittaukset todistivat nippa-nappa Einsteinin olevan oikeassa. Kun tulokset marraskuussa 1919 julkistettiin Lontoossa, alkoi seuraavana päivänä lehtien ilmestyttyä ns. suhteellisuussirkus. Einsteinista tuli maailmankuulu tieteen ikoni. Hän joutui tässä ”loistavassa kurjuudessa” esittämään itseään. Einsteiniin liitetyt lukemattomat todenperäiset tai sepitetyt kaskut kuvaavat paitsi mestaria myös aikakauden suhtautumista häneen ja hänen tieteeseensä. Israelin ensimmäisen presidentin Chaim Weizmannin kertomus laivamatkasta Amerikkaan Einsteinin kanssa on kuvaava. ”Päivä päivältä vakuutuin yhä paremmin että professori Einstein ymmärtää suhtellisuusteoriansa”. Einsteinin elinaikaiseen harrastukseen viulunsoittoon liittyy lukuisia kaskuja. Suhteellisuuskäsitteestä itsestään veisteltiin paljon vitsejä. Sekä vastustajien että kannattajien asiantuntemus ja motiivit olivat usein kaikkea muuta kuin viileän tieteellisiä. Kaikki on suhteellista kaikui kuin uuden vapauden sotahuutona läpi koko ensimmäisestä maailmansodasta toipuvan läntisen maailman. Einstein – tähtien lähetti – joutui itse usein hillitsemään pahimpia ylilyöntejä. Nykyajan Kopernikus selitti moneen kertaan kärsivällisesti että hän oli vain jatkanut muiden – ennekaikkea Newtonin työtä. Pian Einsteinista tuli ei-niin-kovin-vastentahtoisesti ”suhteellisuuden kaupparatsu” koko maailmaan. Suhteellisuussirkus pyöri ennen kaikkea Amerikassa. Euroopassa ja Saksassa vastanotto oli pidättyvämpää, mutta Einsteinista tuli kyllä jo 1919 profeetta myös omalla maallaan.
Seuravassa joitain aikalaisreaktioita:
Nykyisin suhteellisuusteorioiden ennustamat ilmiöt ovat arkipäivää hiukkaskiihdytinlaboratorioissa. Jo 1950-luvulla lennätettiin atomikelloja maapallon ympäri ja todettiin että suppean suhteellisuusteorian aikadilataatio on todellinen. Jokainen GPS-paikanninta käyttävä soveltaa Einsteinin kumpaakin suhteellisuusteoriaa merellä tai maan korvessa kulkiessaan. GPS perustuu tarkkoihin taivaalla lentäviin atomikelloihin – GPS-enkeleihin joiden lähettämistä aikasignaaleista GPS-tietokone laskee monimutkaisen trigonometrian avulla sijaintipaikkansa. Kun ensimmäinen satelliitti 1960-luvulla ammuttiin taivaalle NASAN insinöörit ja fyysikot olivat eri mieltä, pitääkö suhteellisuusteoriat ottaa huomioon. Siksi ensimmäiseen satelliittiin sijoitettiin tarinan mukaan radioteitse kauko-ohjattava vaihtokytkin Einstein on – Einstein off. Ampumisen jälkeen todettiin varsin pian että sen tulee olla on-asennossa. Off-asennossa GPS:n näyttö vaeltaa vuorokaudessa yli 10 km pieleen.
Nobelkomitea oli v. 1919 jälkeen tiukilla. Nobel Einsteinille vai ei. Komitealla ei ollut omaa asiantuntijaa. Vastustajat olivat äänekkäitä ja nimekkäitä. Nobelin jälkisäädöksen mukaisesti palkinto annetaan ”keksinnöstä ihmiskunnan hyväksi”. Suhteellisuusteoriat eivät ole keksintöjä vaan metateorioita. Nobelkomitean ratkaisu oli diplomaattinen kompromissi. Albert Einsteinille myönnettiin vuonna 1921 fysiikan Nobel ”ansioistaan teoreettisen fysiikan alalla ja valosähköisen ilmiön lain keksimisestä”. Parin viivästyksen jälkeen Einstein sai palkintonsa. Siihen liittyvät rahat hän antoi Milevalle ja pojille kuten sovittu oli. Komitea iski kuitenkin ehkä tietämättään naulan kantaan valosähköisen ilmiön tapauksessa. Siitähän alkoi uuden mullistavan kvanttifysiikan voittokulku.
Kvanttifysiikka selittää todellisuutta kaikkein pienimmässä mittakaavassa. Sen lähtökohta on valon kaksinainen luonne – sekä aaltoja että hiukkasia – fotoneita. Tästä löydöksestä alkaneessa kiihkeätahtisessa tutkimuksessa Einstein oli itsekin mukana ensimmäiset 20 vuotta. Kvanttifysiikan outoudet ylittävät huikeasti suhteellisuusteorioiden paradoksit. Kaikella aineella on sekä hiukkas- että aaltoluonne. Atomin hajoamista ei voi ennustaa, se on aidosti satunnainen ja akausaalinen ilmiö. Vain suurten hiukkasmäärien käyttäytymistä voidaan tilastollisesti määrittää. Vapaasti liikkuvan hiukkasen paikka ja nopeus (liikemäärä) ovat epämääräisiä ja sumeita. Näiden arvoa kuvaa todennäköisyys-aaltofunktio. Esim. elektroni voi kulkea kaksoisrakokokeessa kahdesta raosta yhtä aikaa. Kun tällaista sumeaa hiukkasta – villiä ja vapaata – mitataan sen aaltofunktio romahtaa eli mittaaja ja mittaus vaikuttavat vääjäämättä ilmiöön. Klassisen fysiikan lähestymiskieltosääntöä on siis mahdoton noudattaa. Yhden ominaisuuden tarkka mittaus huonontaa toisen ominaisuuden mittaamisen tarkkuutta. Tämän määrää Heisenbergin epätäsmällisyysprinsiippi. Saksalainen fyysikko Werner Heisenberg keksi ilmiön. Epätäsmällisyyssääntö sisältää siis vielä sekä-että näkemyksen. Sen kärjisti tanskalainen Nils Bohr komplementaarisuusprinsiipiksi, joko-tai näkemykseksi. Hiukkasesta voidaan mitata vain jokin ominaisuus. On ennalta päätettävä mitä pyrkii mittaamaan muuta ei samanaikaisesti voi mitata. Tämä Bohrin tulkinta sai sittemmin paljon puhutun kööpenhaminalaisen näkemyksen nimen. Heisenbergin epätäsmällisyyslaki johtuu kvanttifysiikan todellisuudesta. Bohrin komplementaarisuusperiaate on jo puoliksi kvanttifilosofiaa. Heisenberg ja Bohr olivat suhteellisuusteorioiden kohdalla einsteinilaisia. Heisenbergin kohdalla Einstein itse jäi kvanttifysiikan junasta vapaaehtoisesti. Hän piti kvanttifysiikkaa vain epätäydellisenä joskin suunnattoman tarkkana työhypoteesina ja tutkimustyökalupakkina. Einsteinin mielestä mikromaailmassakin vallitsevat kausaalilait. Kvanttifyysikoiden ja Einsteinin kiistaa voidaan kuvata silmälasiesimerkillä. Kun tarpeeksi suurentavilla laseilla tarkastellaan aineen pohjimmaista rakennetta mittasuhteissa joissa atomiydinkin on vuoren kokoinen, näkymä on sumea. Einstein väitti että sumeus johtuu huuruisista laseista eli kvanttifysiikan epätarkkuudesta. Kvanttifyysikot taas uskoivat että lasit ovat tarkat mutta fyysisen todellisuuden syvin olemus on näissä mittasuhteissa sumea. Tämä kiista huipentui 1935. EPR-paradoksina tunnettuun artikkeliin. Siinä Einstein, Podolsky ja Rosen esittävät tyypillisesti einsteinilaisen ajatuskoeasetelman, jonka avulla voidaan osoittaa että kvanttifysiikka on epätäydellinen luonnonkuvausmenetelmä. Tähän liittyvä tieteellinen keskustelu velloi vuosia. EPR-kokeesta muodostui kuitenkin Einsteinille & Co Pandoran lipas. 1964 John Bell esitti EPR-ratkaisuksi mittausjärjestelyn joka todella voitiin toteuttaa. 1980-luvulla Alan Aspectin tarkat ja kekseliäät mittaukset vahvistivat myös kvanttifyysikoiden olleen oikeassa. Mutta vieläkin hurjempaa oli tulossa. Klassisen fysiikan ja myös suhteellisuusteorioiden maailman perimmäisiä lakeja on eräänlainen EVVK-periaate. Tässä tapahtuma ei vaikuta tuolla tapahtumiseen ellei valo tai joku muu vaikkapa kirjekyyhky vie viestiä. Aspectin mittauksissa missä ammuttiin selät vastakkain identtisiä hiukkasia vastakkaisiin suuntiin ilmeni kummallinen kaukovaikutus jota Einstein sanoi aavemaiseksi. Toinen hiukkanen tiesi mitä toiselle tapahtui välittömästi ja heti. Tämä ilmeni ensin laboratoriopöydän reunasta reunaan ja sitten laboratorion kymmenien metrien ja lopuksi kymmenien kilometrien yli. Tällaiset hiukkaset käyttäytyivät siis aivan kuin niiden välillä ei olisi ollenkaan avaruudellista välimatkaa. Tämä siamilaisten kvanttihiukkasten kietoutumis- eli lomittumisilmiö on edelleen selvittämättä ja kvanttifysiikan kuuma haaste. Kaikkein hurjin koetulos voidaan tulkita kausaalilain myös menneisyyteen vaikuttamiseksi.
Sitten Einsteinin avaruuskäsitys on perusteellisesti muuttunut.
Kosmologiasta, tähtitieteen nuorekkaasta sisaresta on tullut täsmätiedettä ja avaruuden (olevaisuuden) standardimalli on muuttunut moneen otteeseen. Nyt uskotaan että avaruudessa on tavallista valaisevaa ainetta – sitä mistä meidät ja tähdet on tehty – vain alle 5 %. (Kari Enqvistin mukaan vähemmän kuin keskioluessa on alkoholia). 30 % on pimeää ainetta joka vaikuttaa vain gravitaationsa kautta ja suurin osa n. 65 % on pimeää energiaa mistä emme tiedä juuri mitään.Vanha haamu, eetteri on tullut ns. Higgsin hiukkasmeren muodossa takaisin. Kvantittuneen aineen ja energian tavoin ehkä aika ja avaruuskin on kvantittunutta.
Kymmenien artikkeleiden, luentojen ja esiintymisien joukosta voidaan mainita tässä muutamia.
Einstein julkaisi jo 1917 artikkelin ”Fotonien stimuloitu emissio”. Tämä johti laserin ja valovahvistimen toteutumiseen.
Einstein ennusti 1916 artikkelissaan gravitaatioaaltojen olemassaolon. Näitä valon nopeudella leviäviä avaruuden väreitä jahdataan yhä. Jokainen voi osallistua jahtiin kotikoneellaan osoitteessa Einstein@home jos Seti@home kyllästyttää.
Intialainen fyysikko Bose lähetti 1924 Einsteinille artikkelinsa jonka Einstein käännätti saksaksi. Se on johtanut Bose-Einstein kondensaatin – aineen viidennen olomuodon – tuottamiseen viime vuosina.
Einsteinin tragedia oli siinä että aikamme suurin fyysikko työskenteli alkupuolen n. 50 vuotta kestäneestä työurastaan mullistamalla koko todellisuuskäsityksen ollen aikaansa edellä ja jälkipuolen haraamalla vastaan alkuunpanemaansa muutosta jääden ajastaan jälkeen. Vai oliko todella näin? Voidaan myös sanoa että jälkipuolen työurastaan Einstein oli yhä aikaansa edellä. Hän ei tosin pystynyt yhdistämään suhteellisuusteorioitaan kvanttifysiikkaan eikä löytänyt unelmoimaansa kaikkien luonnon vakioiden suhteellisia suuruuksia selittävää lakia eli vastaamaan kysymykseen miksi valon nopeus on 300 000 km/s, mutta hän todella yritti.
Lainaisin Einsteiniä. Juuri ennen kuolemaansa hän sanoi: ”Fyysikoille ero menneisyyden, nykyisyyden ja tulevaisuuden välillä merkitsee vain – joskin itsepintaista – illuusiota”. Kaikkein ihmeellisintä on että tämä lause, joka tuntuu runolliselta allegorialta on jo suppean suhteellisuusteorian mukaan reaalinen fyysinen tosiasia. Toisaalta se on haaste selvittää mitä aika ja kausaalilait todella ovat. Olemme siis oikeastaan yhä lähtöruudussa. Siksi fysiikka on niin suunnattoman kiehtovaa.
Ilpo V. Salmi
Teksti perustuu luentoon joka pidettiin syksyllä 2005 Skepsis-yhdistyksen kokouksessa Helsingissä.