AjAn mittaamiseen tarvitaan liikettä

Transkriptio

1 MITÄ AIKA ON? Ajan käsite on yhä kiistanalainen, vaikka niin hallitsijat, tiedemiehet kuin kellosepätkin ovat pyrkineet pilkkomaan ajan täsmällisesti mitattaviin yksiköihin. Filosofit ja fyysikot pohtivat ajan syvintä olemusta ja paikkaa luonnonjärjestyksessä. Tiede on muuttanut käsityksiämme ajasta; on rakennettu atomikello ja määritetty, mistä aika alkoi ja mihin se kulkee. Ajan arvoitusta ei ole vielä kuitenkaan täysin ratkaistu. AjAn mittaamiseen tarvitaan liikettä Aika ei ole samanlainen suure eli mitattava ominaisuus kuin paino tai pituus. Emme voi säilöä yhtä hetkeä tai ajanjaksoa, ja verrata sitä myöhemmin toisiin. Ajan mittaamiseen tarvitaan aina liikettä. Jos haluamme mitata jonkin tapahtuman keston, tarvitsemme säännöllisen liikkeen, johon sitä vertaamme. Tällaisia ovat esimerkiksi taivaankappaleiden liikkeet tai heilurin heilahtelu. Kellojen avulla on pyritty kohti yhä tarkempaa ajan mittausta. Nykyisin tarkin ajanmittaus perustuu cesium-atomin värähtelyyn, ja yhteistä aikaamme määrittävät useat eri puolilla maailmaa sijaitsevat atomikellot. Ajan mittaaminen on kuitenkin irrallaan kokemuksestamme ajan kulusta. Pieni lapsi saattaa ajatella vanhenevansa, kun kellon viisareita siirretään eteenpäin, mutta aikuiset tietävät, ettei aika ole riippuvainen kellosta. Sekunnin pituuskin on vain yhteinen sopimus. Mitä aika siis todella on? 1

2 Aika kulkee kohti kaaosta Aikaa pidetään liikkeenä, joka kulkee järjestyksestä kohti kaaosta, eli samaan suuntaan kuin koko maailmankaikkeus. Koska tapahtumilla on vain yksi luonnollinen suunta, särkyvä lasi hajoaa palasiksi, mutta palaset eivät yhdisty takaisin ehjäksi lasiksi. Myös ajalle on ominaista, että se kulkee vain yhteen suuntaan. Luonnonlakien mukainen tapahtumien kulku on helppo ymmärtää. Mikäli videota kelaa takaisinpäin niin, että televisioruudulla näkyy, kuinka rikkoutunut esine muotoutuu takaisin ehjäksi tai kuinka lentopallo palaa takaisin heittäjänsä käteen, ymmärtää pieni lapsikin tapahtuman luonnonvastaiseksi. Kuitenkin tapahtumien suunnan selittäminen on vienyt fyysikoilta vuosisatoja, koska ei ole ollut tunnettuja luonnonlakeja, jotka selittäisivät tapahtumien kulun ainoaksi mahdolliseksi. Eräiden teorioiden mukaan aika voi kulkea vain yhteen suuntaan, koska universumissa kaikki luonnostaan tapahtuu kohti epäjärjestystä. Sama suunta on havaittavissa myös ihmisten soluissa, jotka muuttuvat vanhenemisen myötä solujen pyrkiessä kohti kaaosta. Epäjärjestys näyttää siis syntyvän itsestään, mutta järjestyksen aikaansaaminen vaatii työtä. Vasta teollistumisen myötä 1800-luvun alkupuolella saatiin ensimmäiset selitykset tapahtumien yhdensuuntaisuudelle. Koneista piti saada mahdollisimman tehokkaita eli polttoaineestaan mahdollisimman suuren voiman irtisaavia, ja tätä tehokkuutta laskettaessa syntyi käsite entropia. Entropia mittaa epäjärjestyksen ja energian muuntumista. Toisin sanoen mitä suurempi on entropia, sitä enemmän tietyssä järjestelmässä on epäjärjestystä ja sitä vaikeammin energia muuttuu toiseen muotoon. Saksalais-itävaltalainen fyysikko Ludwig Boltzmann selitti 1800-luvun lopulla muun muassa entropian atomeiden olemassaololla. Hän selitti teoriassaan, että entropia johtuu atomien epäjärjestyksestä. Vielä 1900-luvulle tultaessa monet eivät uskoneet Boltzmannin atomiteoriaan. Boltzmannin teorioiden mukaan maailmankaikkeus oli matkalla kohti tuhoutumistaan, koska se pyrki koko ajan kohti epäjärjestystä. Kuitenkin maailmankaikkeuden ajateltiin olevan äärettömän vanha, joten epäjärjestystä olisi kaiken järjen mukaan tullut olla jo enemmän näkyvissä. Boltzmann 2 Säkynyt lasi ei tule itsestään ehjäksi.

3 selitti, että äärettömän pitkän ajan kuluessa myös järjestys voi syntyä itsestään, vaikkakin tapahtuma on epätodennäköinen. Tätä teoriaa ei kannatettu, koska silloin aika kulkisi eri paikoissa eri suuntaan sen mukaisesti, onko siellä entropia vähenemässä vai lisääntymässä. Silloiset tähtitieteilijät olivat tulleet siihen tulokseen, että aika on vakio, eli sillä on sama suunta ja nopeus joka paikassa. Aika ei ole sittenkään vakio Aika on hyvin kiinnostava ilmiö, mutta vaikea ymmärrettää. Yleensä ajatellaan, että ajan kulkua ei voi muuttaa, nopeuttaa tai hidastaa eikä ainakaan sen suuntaa voi kääntää. Vai voiko sittenkin? Kello mittaa koneistonsa liikettä. Lattiakellon koneisto 1700-luvulta. Suomen Kellomuseo, Ulla Paakkunainen 3

4 Albert Einstein esitti 1900-luvun alussa teoriansa, jonka mukaan aika hidastuu, kun kappaleen vauhti alkaa lähestyä valonnopeutta. Suhteellisuusteorian mukaan aika voi hidastua kahdessa tapauksessa: kun matkustetaan todella suurella nopeudella ja kun ollaan voimakkaassa painovoimakentässä. Ensimmäisessä tapauksessa hidastuminen voimistuu vasta lähellä valonnopeutta ( km/s), jota nopeampaa liikettä ei olekaan. Voimakkaita painovoimakenttiä voi olla pienten ja raskaiden taivaankappaleiden läheisyydessä. Voimakkain painovoima on niin sanottujen mustien aukkojen lähellä, joissa ajan hidastuminen voi olla jo tuhansia vuosia. Ajan hidastuminen on myös todistettu kokeella vuonna Tuolloin atomikello lennätettiin suihkukoneella maapallon ympäri. Koneen nopeus poikkesi maapallon pyörimisliikkeen nopeudesta, ja lennon aikana kelloon kohdistui pienempi painovoima. Kellon palatessa lennoltaan maapallon pinnalle, se näytti eri aikaa kuin muut kellot. Aika siis kulkee eri paikoissa eri nopeudella. Sama ilmiö on todistettu myös kiihdyttämällä radioaktiivisia atominytimiä lähelle valon nopeutta, jolloin niiden radioaktiivisuuden puoliintumisaika piteni. Painovoimakenttä muuttaa ajan kulkua. Coloradossa Yhdysvalloissa erään tutkimuskeskuksen atomikello edistää viisi mikrosekuntia vuodessa verrattuna Greenwichissä Englannissa olevaan atomikelloon. Coloradon kello on 1650 metriä Greenwichin kelloa korkeammalla merenpinnan tasosta, ja sen painovoimakenttä on näin ollen heikompi. Teoriassa siis Marsissa aika kulkee nopeammin kuin Maassa heikomman painovoimakentän ansiosta ja lähes valon nopeudella liikuttaessa aika kuluisi paljon hitaammin kuin Maan pinnalla. Nykytutkijat ajan mysteerin äärellä Nykykäsityksen mukaan alkuräjähdyksessä oli kyse suuren järjestyksen tilasta. Maailmankaikkeutta voisi kuvata jouseksi, joka alkuräjähdyksessä jännittyi äärimmilleen ja joka siitä eteenpäin on ollut löystymässä eli pyrkimässä kohti kaaosta. Sitä tutkijat eivät ole vielä pystyneet selittämään, mistä alkuräjähdyksen järjestys johtui. 4

5 Todennäköisyysteorioiden mukaan kaikki mikä on mahdollista, tapahtuu, jos vain kuluu tarpeeksi aikaa. Alkuräjähdyksenkin tapahtumisen todennäköisyys on äärimmäisen pieni, mutta se tapahtuu ennen pitkää, mikäli tarpeeksi aikaa kuluu ja tarpeeksi suuri järjestys syntyy. Kaikkia maailmankaikkeuden muutoksia ohjaa energian muuttuminen muista muodoista lämmöksi. Lämpö on suurin epäjärjestyksen tila, sillä se syntyy atomien satunnaisesta liikkeestä. Ajan käsite tuottaa päänvaivaa Nykytiede ei pysty antamaan lopullisia vastauksia moniin aikaan liittyviin ongelmiin. Aihe on askarruttanut myös filosofeja vuosisatojen ajan. Jo Aristoteleen ( eaa.) tiedetään miettineen sitä, onko aika objektiivinen todellisuuden ominaisuus vai kuvitteellinen perspektiivi, jonka ihminen luo todellisuutta havainnoidessaan. Aristoteles erotti toisistaan ihmisen kokeman subjektiivisen ajan ja esimerkiksi Auringon liikkeistä mitattavan objektiivisen ajan. Filosofi Avicenna ( jaa.) ajatteli ajan olevan psykologinen ero ihmisen muistojen ja odotusten välillä. Filosofi Immanuel Kant ( jaa.) piti aikaa, tilaa ja syy-seuraus -suhdetta ihmisen tietoisuuden osina, ei osina fyysistä todellisuutta. Hänen mukaansa aika on ihmiselle olennainen asia, mutta ei välttämättä osa todellisuutta. Mitä aika siis lopulta on? Onko aika liikettä kohti kaaosta, tapahtumien keskinäisiä ennen jälkeen -suhteita vai mielemme luoma selitys aistiemme havainnoille? Ratkaisua ajan ongelmaan ei ole vieläkään näköpiirissä. 5