Tommi Tenkanen: Matka mustaan aukkoon

Tommi Tenkasen kirja Matka mustaan aukkoon on julkaistu syyskuussa 2021, sain sen postissa pari viikkoa sitten ja luin heti. Raimo Keskisen ja Heikki Ojan Mustaa aukkoa etsimässä puolestaan julkaistiin jo vuonna 1977. Jälkimmäisen kirjan sain Ursasta viallisena versiona, jossa oli koko joukko valkoisia sivuja - jos oikein muistan, niin lainasin sen jostain luettavaksi, mutten pyytänyt ehjää kirjaa koskaan viallisen tilalle. Viallinen lensi roskiin jo vuosia sitten. Keskisen & Ojan kirja on kuitenkin edelleen divareissa myynnissä hintaan 5 €, joten mustat aukot kiinnostavat. Paljon on ihmiskunnan tietämys kuitenkin kasvanut noista vuosista, joten lämpimästi voin suositella Tenkasen kirjaa kaikille mustista aukoista kiinnostuneille.

Oma opiskelutaustani on teoreettisesssa fysiikassa, jolla alalla Raimo Keskinen toimi Helsingin yliopistossa yliassistenttina opintoja aloittaessani vuonna 1976 ja paljon sen jälkeenkin. Yleinen suhteellisuusteoria ei tuohon aikaan vaikuttanut kovin dynaamiselta tutkimuskohteelta, ja sitä tunnuttiin pitävän myös vaikeasti lähestyttävänä ja hankalasti opittavana aihealueena. Monen kiinnostuksen kohde mustat aukot toki perustuivat täysin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Yritin omaehtoisesti tutustua sen teoriaan lukemalla paksua (1279 sivua) teosta Gravitation (Misner, Thorne & Wheeler, 1970), mutta vaikka monesti aloitin, en päässyt paljon alkua pidemälle. Opin toki monta tärkeää asiaa. Nykyisenä etätyöaikana pidän Gravitation-kirjaa läppärini alla, jotta kamera ei kuvaa liian alhaalta.

Kirja muistuttamassa koulutustaustastani.

Niin palava oli kiinnostus yleiseen suhteellisuusteoriaan, että suoritin keväällä 1982 Tapani Perkon kurssin. Oppikirja oli sillä  kertaa ohuempi (192 sivua) A short course in General Relativity (Foster & Nightingale, 1979), josta etenkin jäi mieleen ajan ja paikan roolien vaihtuminen mustan aukon sisällä. Vuoden päästä aloitin tutkijanurani ilmassa leijuvien pienhiukkasten parissa, aerosoliksi tuollaista systeemiä kutsutaan. Neljän vuoden päästä painuin "maan alle", kun alaksi vaihtui ydinjätteiden loppusijoitus. Perkon kurssista ei hyötyä ole oikein ollut, mutta Keskisen Raimon Jatkuvan aineen mekaniikka puolestaan antoi perustietämyksen monesta käytännön ongelmasta.

Muistelin menestyneeni kurssilla paremmin, mutta opintokirja on vielä tallessa.

Noin seitsemän vuotta sitten Jyväskylästä opiskellut työkaverini lähetti minulle Jyväskylän yliopiston väitöskirjan  A Metageometric Enquiry Concerning Time, Space, And Quantum Physics (Meshcini, 2008), joka erikoisuudestaan huolimatta tai juuri siksi sai uudelleen kiinnostumaan yleisestä suhteellisuusteoriasta ja sen laajentamiesta kvanttigravitaatiosta. Innostus sai ostamaan ja lukemaan oikeita alan oppikirjoja kuten Quantum Gravity (Rovelli, 2004). Osoittautuipa tuo kovaksi haasteeksi, kun matemaattinen pohja on nykyisin paljon kehittyneempi kuin opiskellessani 70-luvulla. Mutta ymmärrykseni kasvoi paljon yleisestä suhteellisuusteoriasta, kvanttigravitaatiosta ja oman osaamisen rajoista.

Tällainen oli siis taustani alkaessani lukea Tenkasen uutta kirjaa, joka sekin vei mukanaan. Kirjasta käy hyvin ilmi kuinka aikoinaan eksoottinen ja pelottava, mutta hieman hyödytön yleinen suhteellisuusteoria on muuttunut teoreettisten fyysikkojen käytännön työkaluksi, jonka avulla mustia aukkoja voi tutkia paljon entistä paremmin. Eivätkä mustat aukot enää ole mitään teoreettisia olentoja, vaan havaittavissa ja osittain mitattavissa olevia.

Kirja alkaa lyhyellä johdannolla, jonka jälkeen Tenkanen kirjoittaa selkeää ja ymmärrettävää tekstiä yleisestä suhteellisuusteoriasta ja painovoimasta, ilman kaavoja ja muitakin monimutkaistuksia. Kaiken takana on ekvivalenssiperiaate, jonka mukaan painovoiman aiheuttamaa kiihtyvyyttä ei voi erottaa muusta kiihtyvyydestä. Seuraavaksi Tenkanen käy läpi mustien aukkojen historiaa, joka alkoi melkein välittömästi Einsteinin julkaistua teoriansa vuonna 1915 keskellä ensimmäistä maailmansotaa. Ekvivalenssiperiaate on yksinkertainen, mutta siitä seuraava teoria sen sijaan matemaattisesti erittäin mutkikas, joten ensimmäinen yhtälöiden ratkaisu pallosymmetriselle tapaukselle ilmestyi nopeasti. Tenkanen kertoo mustien aukkojen ominaisuuksista niin niiden sisällä kuin ulkopuolellakin - ihan aukon keskispisteeseen asti nykyinen fysiikka ei yllä.

Kirja jatkuu mustien aukkojen todellisuuden pohtimisella. Alunperin ei ollut alkuunkaan selvää, että matemaattisen ratkaisun olemassaolo takaisi myös todellisten mustien aukkojen olemassaolon. Osana tätä tarinaa Tenkanen siirtyy radioastronomiaan, jossa Metsähovin observatiolla Kirkkonummella on oma osansa. Kun käyttää riittävän montaa radioteleskooppia eri puolilla maailmaa, voi kärsivällisellä työllä ja suurella laskentateholla saada jopa kuvan mustasta aukosta. Kuvan ottamisen vaiheet kuvataan kirjassa eloisasti, kuva itsessään onkin ollut hyvin julkisuudessa, ja myös kirjan takakannessa.

Vanhassa Keskisen & Ojan kirjassa esitettiin myöhemmin täysin puutteelliseksi osoittautunut tapa mitata gravitaatioaaltoja, jotka jälleen seuraavat Einsteinin yhtälöistä suoraan, mutta joiden mittaaminen osoittautui vaikeaksi, muttei mahdottomaksi. Tenkanen kuvaa kirjassaan hyvin sen miten aika-avaruuden paljon atomin ydintä pienemmät lainehtelut opittiin mittamaan. Eikä riittänyt edes mittalaitteen rakentaminen, vaan lisäksi piti laatia ratkaisut yleisen suhteellisuusteorian yhtälöille mustien aukkojen yhtyessä toisiinsa. Minulle oli täysin uutta tietoa näiden törmäysten rajuus ja todella lyhyt aikaskaala: mustat aukot visertävät lintujen lailla törmätessään. Törmäyksiä on havaittu kymmeniä ja uusia tullaan havaitsemaan, kun laboratoriot saadaan jälleen toimimaan koronan jäljiltä.

Kirja jatkuu erilaisten mustien aukkojen esittelyllä, ja tässä kohtaa osansa on myös suomalaisella Gunnar Nordströmillä. Seuraavaksi kirjassa kerrotaan tai pohditaan syytä siihen miksi mustia aukkoja on vain S- ja XXL-kokoja, josta siirrytään sujuvasti kosmologiaan ja alkuräjähdyksen mustiin aukkoihin. Mustat aukot voivat myös kuolla tai kadota, ja tässä kohtaa tarina alkaa siirtyä makromaailman kuvauksesta kohti kvanttimekaniikkaa ja kaiken teoriaa. Tenkanen kuvaa hyvin mustien aukkojen entropian ongelmaa, joka syntyy mustan aukon muodostuessa: ennen romahdusta entropiaa on aineella runsaasti, mutta mustan kuvaamiseen riittää sen massa, varaus ja pyörimismäärä - siinä ei entropiaa juuri ole jäljellä.

Lopulta kirja pääsee kvanttipainovoimaan, joka on nykyisen teoreettisen fysiikan isoimpia haasteita, jota on yritetty ratkoa niin säieteorialla, hologrammeilla kuin kvanttivaahdollakin. Onneksi fyysikoilla on mahdollisuus tehdä vielä paljon parempia kokeellisia järjestelyjä, kunhan vain rahoitus riittää, joten kunhan kokeellista aineistoa alkaa olla enemmän etenkin mustista aukoista, niin teorian laatiminenkin helpottaa.

Pidin Tenkasen kirjasta ja sen esitystavasta. Arvelen, että useimmat (erittäin vaikeat) asiat on esitetty sellaisella tasolla ja selkeydellä, että varsin moni lukija kykenee tiedon omaksumaan. Jossain harvassa kohtaa olisin käyttänyt hiukan erilaisia termejä. Kaiken teoria ei vaikkapa Carlo Rovellin mukaan ehkä olekaan kaiken loppu, vaan uuden kaiken teorian alku.

Tommi Tenkanen: Matka mustaan aukkoon -Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan (2021)
Ursan julkaisuja 175
286 sivua
Kustantaja: Tähtieteellinen yhdistys Ursa