Lattialla lojuu pöydältä pudonnut ja rikki mennyt raaka kananmuna. Yhtäkkiä keltuainen, valkuainen ja kuoren palaset alkavat hakeutua yhteen. Keltuainen ottaa taas pyöreän muodon, valkuainen asettuu sen ympärille ja kuoren palaset yhdistyvät munan ympärille.
Tapahtumaketju kuulostaa mahdottomalta. Arkijärki sanoo, että kananmuna voi mennä rikki mutta että se ei voi palautua ehjäksi.
Arkijärki sanoo, että se ei ole mahdollista, koska aika kulkee vain yhteen suuntaan, eteenpäin. Mutta voisiko tilanne olla toisin?
Kyllä voisi. Sitä mieltä on ainakin italialainen fyysikko Carlo Rovelli.
Maailmankaikkeuden pienimpien osasten maailmassa vaikuttavien luonnonlakien näkökulmasta aikaa ei ole. Alkeishiukkasille on yhdentekevää, kulkeeko aika eteen- vain taaksepäin.
Siinä maailmassa rikkoutunut kananmuna voi hyvin palautua ehjäksi.
Alkeishiukkaset eivät tunne aikaa
1. Epäjärjestys lisääntyy
Todennäköisyys, että joukko hiukkasia – joista esimerkiksi kananmuna koostuu – kulkee kohti aina vain suurempaa epäjärjestystä eli entropiaa, on paljon suurempi kuin sen todennäköisyys, että niiden epäjärjestys vähenisi. Siksi kananmuna voi mennä rikki, mutta se ei voi palautua ehjäksi.
2. Atomeissa ei ole epäjärjestystä
Entropian eli epäjärjestyksen kasvu koskee kuitenkin vain tietyn kokoisia kappaleita. Munan sisällä oleville mikroskooppisen pienille alkeishiukkasille ei ole väliä, onko muna ehjä vai rikki. Niille on myös yhtä todennäköistä, että tapahtumat kehittyvät eteenpäin kuin taaksepäin.
3. Aika ei ole välttämättömyys
Koska ajalla ei ole merkitystä kaikkeuden pienimmille hiukkasille, sitä ei myöskään tarvita fysiikan laeissa, fyysikko Carlo Rovelli uskoo. Hänen mukaansa maailmankaikkeus koostuu tapahtumien verkostosta, jossa tapahtumat eivät ole järjestyneet ajan mukaan.
Tulevaisuus on todennäköisempi kuin menneisyys
Osa teoreettisen fysiikan tutkijoista on alkanut lähestyä aikaa uudesta näkökulmasta.
Vaikka ajan kulku on jokaiselle selvä ja vääjäämätön, muun muassa italialainen Carlo Rovelli on vakaasti siitä mieltä, että aika on pohjimmiltaan harhaa.
Rovelli ei ole suinkaan ensimmäinen tutkija, joka on yrittänyt päästä perille ajan luonteesta. Yksi merkittävimpiä ajan tutkijoita oli itävaltalaisfyysikko Ludwig Boltzmann.
Boltzmannin ansiosta päästiin vuonna 1877 jyvälle siitä, mikä erottaa menneisyyden, nykyajan ja tulevaisuuden. Hänen mukaansa ajan perustana on entropian eli epäjärjestyksen kasvu.
Liike mitataan ajalla ja aikaa liikkeellä, koska aika ja liike määrittävät toinen toisensa. Aristoteles, filosofi
Aika kulkee aina eteenpäin, menneisyydestä kohti tulevaisuutta, esimerkiksi ehjästä munasta rikkinäiseen, koska entropian määrä koko ajan kasvaa.
Entropian määrä kasvaa, koska on valtavan paljon enemmän tapoja, joilla munan molekyylien hiukkaset voivat olla hajallaan rikkoutuneessa munassa, kuin tapoja, joilla ne voivat järjestäytyneenä ehjässä munassa.
Siksi on paljon todennäköisempää, että munan hiukkaset lojuvat jollakin tavalla hajallaan kuin että ne olisivat järjestäytyneenä ehjäksi munaksi.
Kun aika kuluu, tapahtumat asettuvat järjestykseen niin, että epätodennäköistä tilannetta – sitä, että muna on ehjä – seuraa todennäköisempi tilanne – se, että muna menee rikki.
Teoriassa ei ole mahdotonta, että rikkoutunut muna palautuu ehjäksi ja nousee takaisin pöydälle, mutta se on äärimmäisen epätodennäköistä.
Aika pitää ajatella uusiksi
Fyysikot yrittävät määritellä ajan uudestaan, koska se ei sovi luonnonlakeihin.
Boltzmannin teoria entropiasta ei kerro, millainen suure aika pohjimmiltaan on. Se kertoo vain, mihin suuntaan se todennäköisimmin kulkee.
Entropiateorian mukaan maailmankaikkeuden alussa vallitsi äärimmäinen järjestys, joka miljardien vuosien kuluessa on muuttunut aina vain sekaisemmaksi.
Teorialla on yksi hyvin merkittävä rajoitus: se koskee vain kappaleita, jotka koostuvat monista alkeishiukkasista.
Jos sen sijaan tarkastellaan yksittäisiä alkeishiukkasia, niissä yksi ajan suunta ei ole sen todennäköisempi kuin toinen. Aika voi mennä yhtä hyvin eteen- kuin taaksepäin.
Einstein hävitti nykyhetken
Boltzmannin entropiateoria ei selitä aikaa. Siihen tarvitaan teoria, joka sisältää sekä käsityksemme ajan kulusta ja suunnasta että näkee ajan todellisuuden neljäntenä ulottuvuutena.
Vuonna 1905 Albert Einstein päätteli, että aika ei kulje kaikkialla maailmankaikkeudessa samaa tahtia.
Einstein esitti erityisessä suhteellisuusteoriassaan, että ajan kulku riippuu nopeudesta. Siksi kaksi kelloa etenee eri tahtiin, jos toinen niistä liikkuu nopeammin kuin toinen.
Aika on oma ulottuvuutensa, jossa kaikki eivät liiku yhtä nopeasti.
Meille fyysikoille menneisyyden, nykyisyyden ja tulevaisuuden ero on vain harha - vaikkakin hyvin sitkeä sellainen. Albert Einstein, fyysikko
Vuonna 1915 Einstein oivalsi, että kellojen eritahtisuus ei johdu vain nopeuseroista. Hänen yleinen suhteellisuusteoriansa yhdisti ajan ja avaruuden ja selitti painovoiman aika-avaruuden kaareutumiseksi.
Kaikki maailmankaikkeuden aine vaikuttaa ympärillään olevaan avaruuteen ja aikaan. Mitä lähempänä raskasta kappaletta ollaan, sitä hitaammin aika kuluu.
Koska aika joustaa avaruuden mukaan, ei ole olemassa kaikille yhteistä nykyhetkeä. Myös menneisyys ja tulevaisuus ovat eri asioita eri havainnoitsijoille.
Einsteinin teoriat tuntuvat olevan ristiriidassa arkiymmärryksen kanssa, mutta lukuisat kokeet ovat osoittaneet, että hän oli oikeassa.
Einstein taivutti ajan
Aristoteles keskittyi liikkeeseen
Aristoteles (384-322 eaa.) opetti, että aika riippuu muutoksista. Ilman muutoksia ja liikettä ei hänen mukaansa ollut aikaa. Hänen mukaansa aikaa voidaan mitata liikkeiden lukumäärästä, mutta samalla aika on jatkuvaa.
Newton uskoi samatahtisuuteen
Isaac Newton (1643-1727) uskoi, että aika kuluu samaa tahtia aina ja kaikkialla. Ajan kulkuun ei häneen mukaansa vaikuta, kuka sitä mittaa tai mitä missäkin tapahtuu. Vaikka kaikki katoaisi, aika jatkaa kulkuaan.
Einstein sai ajan taipumaan
Albert Einstein (1879-1955) päätteli, että aika ei kulje samaa vauhtia kaikille. Avaruus ja aika ovat yhtä, ja se taipuu ja venyy. Ajan kulku riippuu kappaleen nopeudesta ja etäisyydestä. Lukuisat kokeet ovat osoittaneet teorian oikeaksi.
Uusi teoria tekee ajan turhaksi
Einsteinin suhteellisuusteoria osoitti, että aika ei ole suoraviivainen vaan suhteellinen ja taipuisa. Carlo Rovelli menee askeleen pidemmälle. Hän kehittelee teoriaa, joka yhdistää Einsteinin suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan. Siinä ei tarvita aikaa.
Kvanttimekaniikan maailma on jakautunut pieniin rajallisiin osiin. Rovelli uskoo, että näin on myös suurempien kappaleiden maailmankaikkeudessa.
Niin sanotun silmukkakvanttipainovoimateorian mukaan avaruus koostuu pienistä silmukoista, joiden pituus on 10⁻³⁵ metriä ja jotka muodostavat yhdessä äärimmäinen pienisilmäisen verkon. Näitä silmukoita pienempiä asioita ei teorian mukaan voi olla olemassa.
Rovellin teorian mukaan sen enempää aika kuin avaruuskaan eivät ole itsenäisiä suureita, vaan ne syntyvät silmukoiden välisten suhteiden seurauksena. Ei ole olemassa menneisyyttä tai tulevaisuutta, ainoastaan fyysisiä suureita, jotka kehittyvät suhteessa toisiinsa.
Fyysikko Carlo Rovelli ei usko, että ajalla on merkitystä maailmankaikkeuden rakenteelle.
Aikaa ei Rovellin mukaan oikeasti ole olemassa, vain tapahtumia. Ajatus on samantapainen kuin antiikin Kreikan filosofilla Aristoteleellä. Hänen mukaansa aika on olemassa vain muutoksen mittana. Jos mikään ei muutu, aikakaan ei kulu.
Se, että ihminen kuitenkin kokee ajan kuluvan vääjäämättä eteenpäin, johtuu Rovellin mukaan ihmisen rajoittuneesta havainnointikyvystä ja tietämyksen puutteesta.
Ihminen on vuorovaikutuksessa vain pienen maailmankaikkeuden osan kanssa. Siksi meidän ei tarvitse välittää ajan taipuisuudesta emmekä me näe sitä tapahtumien verkostoa, joka muodostaa kvanttimekaniikan todellisuuden perustan.
Rovelli uskoo, että jos ihminen ymmärtäisi maailmankaikkeuden tapahtumien yhteydet, hän ei tarvitsisi aikaa. Karkeassa isojen kappaleiden maailmankaikkeudessa aika kuitenkin näyttää kulkevan eteenpäin, vaikka maailmankaikkeuden selittävissä luonnonlaeissa ajalle ei ole käyttöä.
Maailmankaikkeus on vinossa
Jotkin tuoreet havainnot näyttävät panevan käsitykset maailmankaikkeudesta uuteen uskoon. Jos ne pitävät paikkansa, oppikirjat pitää kirjoittaa uusiksi.
Kaikki eivät ole samaa mieltä Rovellin kanssa. Esimerkiksi yhdysvaltalainen Lee Smolin on vakuuttunut siitä, että juuri aika on kaikista suureista tärkein. Hänen mukaansa kaikki muu maailmankaikkeudessa, avaruus ja kaikki luonnonlait, perustuvat aikaan.
Smolin ei epäröi kutsua kysymystä ajan luonteesta teoreettisen fysiikan tärkeimmäksi teemaksi. Vaikka fyysikot ovat tiukasti eri mieltä siitä, mitä aika on, he tekevät yhteistyötä.
Teoreettisen fysiikan tutkijat käyvät vuoropuhelua ja vaihtavat ajatuksia, sillä heillä on yhteinen tavoite: kaiken kattava fysiikan teoria, joka selittää myös ajan.
Tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että ajan ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta voidaan saada aikaan niin sanottu kaiken teoria, joka selittää kaikki fysikaaliset ilmiöt.