Ajan arvoitukseen liittyy nykyhetken käsite, miten se eroaa menneisyydestä ja tulevaisuudesta. Kun aika virtaa, eli siirrymme nykyhetkestä seuraavaan nykyhetkeen, niin mikä siirtyy menneisyyteen?
Aiemmin käsittelemäni kirjan Ajan luonne tekijä Carlo Rovelli olisi luultavasti pitänyt kysymystä vääränä, mutta kirjan Now: The Physics of Time kirjoittaja Richard A. Muller on vahvasti eri mieltä. Muller on kokeellinen fyysikko, joka on ollut testaamassa esim. kosmiseen taustasäteilyyn liittyviä ennusteita. Hänet tunnettiin aiemmin myös ilmastonmuutokseen skeptisesti suhtautuneista näkemyksistään, mutta hänen omat tutkimuksensa (ns. Berkeley Earth -projekti) saivat hänet muuttamaan mielensä, vuonna 2012 hän totesi ilmaston lämpenevän ja sen johtuvan käytännössä kokonaan ihmisen toimista.
Kirjassaan Muller korostaa sitä, että vaikka ymmärrämme paljon ajan käyttäytymisestä suhteellisuusteorian käsittelemissä arkijärjelle vieraissa tilanteissa, niin peruskäsitteiden tasolla ymmärrämme aikaa hyvin huonosti. Jo Aristoteles pohdiskeli ajan ja nykyhetken luonnetta varsin laajalti, mutta tavalliseen tapaansa hänen kirjoituksistaan on vaikea ottaa selkoa – mikä Aristoteleen mielestä on ilmeistä, vaikuttaa yleensä pelkältä sanahelinältä, tässä tapauksessa ehkä yritykseltä peittää pohjimmainen hämmennys. Newton puolestaan totesi Principiassa: ”En määrittele aikaa, paikkaa ja liikettä, sillä ne ovat tutut kaikille.” Samanlainen väistöliike tehdään usein fysiikan perusopetuksessa.
Einsteinin välistä lähes lapsenomaisilta vaikuttaneet ajatuskokeet sen sijaan eivät ohittaneet tällaisia kysymyksiä itsestäänselvyyksinä. Nykyhetken käsite askarrutti Einsteiniakin, hän päätyi lopulta pitämään sitä kysymyksenä, johon tiede ei voi vastata. Jotkut fyysikot ovat päätyneet mm. suhteellisuusteorian tietyn ajattomuuden perusteella näkemykseen, että ajan virtaus on eräänlainen illuusio. Mullerista tällainen lähestymistapa kääntää päälaelleen teorioiden kehittämistavoitteen, havaintoja ei pidä muokata teoriaan sopiviksi, vaan teorian pitää vastata havaintoja.
Kirjassaan Muller esittää suhteellisuusteorian aikaa koskevat tulokset todella selkeästi osoittaen paikat, joissa on helppo langeta sudenkuoppiin esim. samanaikaisuuden käsitteen kanssa. Tämän jälkeen Muller käsittelee termodynamiikan toista pääsääntöä. Se ei ole samalla tavalla ehdoton lainalaisuus kuin esim. painovoimalaki, vaan pohjautuu todennäköisyyksiin – korkeasti järjestäytynyttä tilannetta vastaa paljon pienempi määrä erilaisia systeemin mikrotiloja kuin järjestäytymätöntä tilannetta. Näin on hyvin tavallista, että jos systeemi kehittyy johonkin suuntaan, sen järjestäytymisen aste laskee, eli entropia lisääntyy.
Entropian kasvu koskee suljettua systeemiä kokonaisuutena, sen sisällä voi olla alueita, joissa järjestäytymisaste kasvaa. Esimerkiksi elämään liittyvissä prosesseissa tai vaikkapa rakennusten pystyttämisessä tapahtuu merkittävää paikallista entropian vähenemistä, tätä tapahtuu myös monissa elottoman luonnon prosesseissa. Paikallinen entropian aleneminen on mahdollista jopa puhtaan satunnaisestikin.
Tähtitieteilijä ja fyysikko Arthur Eddington yhdisti lisääntyvän entropian ja ajan virtauksen, sillä termodynamiikan toinen pääsääntö oli tuolloin jokseenkin ainoa fysiikan perustason lainalaisuus, jossa ajan kulkusuunnalla on merkitystä. Tämän näkemyksen jakavat monet nykyfyysikotkin. Mutta onko lisääntyvä entropia ajan kuljettaja vai matkustaja?
Korrelaatio kahden ilmiön välillä ei välttämättä tarkoita kausaalisuutta, syy-seuraussuhdetta. Korrelaatio voi olla satunnainen ja kadota kokonaan tarkasteluaineiston kasvaessa. Keskenään korreloivat ilmiöt voivat myös johtua kolmannesta ilmiöstä, joka on syynä molempiin. Hyvä esimerkki tästä on tilastollinen yhteys jäätelönmyynnin ja hukkumiskuolemien välillä.
Muller ei niele Eddingtonin ehdotusta johtuen useista syistä. Yksi niistä on paikallinen entropia, sen perusteella voisi yhtä hyvin väittää paikallisesti vähenevän entropian määräävän ajan kulkusuunnan, kun luonnossa tai ihmisen toimesta syntyy järjestäytymisasteeltaan suurempia rakenteita. Ja jos paikalliset ilmiöt vaikuttavat suhteellisuusteoriassa ajan kulkunopeuteen, niin miksi entropian paikallisella suunnalla tai muutosnopeudella ei ole mitään vaikutusta? Toisaalta kaikki hiukkasfysiikan ilmiötkään eivät ole ajan suhteen symmetrisiä (esim. ns. CP rikko, CP violation). Mullerin mukaan ajan selittäminen entropian avulla ei lopulta tee mitään testattavia ennusteita, joten se ei Popperin tarkoittamassa mielessä ole oikeastaan tieteellinen teoria. Perusvirhe on se, että ajassa tapahtuvia ilmiöitä yritetään kevyin perustein käyttää ajan tai sen kulkusuunnan syynä. Näiltä osin hänen kritiikkinsä vaikuttaa oikeaan osuvalta.
Entä mikä on Mullerin oma käsitys ajasta? Hän perustaa sen moderniin kosmologiaan. Laajeneva avaruus on oikeastaan laajeneva aika-avaruus: kun se laajenee, niin syntyy paitsi lisää avaruutta, niin myöskin aikaa. Ja tämä määrää ajan kulkusuunnan – laajempi avaruus vastaa myöhempää ajanhetkeä. Laajenevassa avaruudessa galaksit ovat pienet painovoiman aiheuttamat liikkeet poislukien ”levossa”, ne etääntyvät toisistaan avaruuden laajentuessa. Tässä koordinaatistossa, jota Muller nimittää Lemaîtren koordinaatistoksi (Lemaître frame), on tavallaan olemassa kaikkialla yhteinen nykyhetki – ajan ilmaisimena voisi käyttää kosmisen taustasäteilyn lämpötilaa. Tämä ei ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, toistensa suhteen liikkuvia kohteita tarkastelupisteinä käytettäessä havaitaan kaikki tavanomaiset suhteellisuusteoreettiset efektit.
Ajatus ajan ja sen kulkusuunnan kosmisesta alkuperästä on yksinkertaisuudessaan hyvin houkutteleva, mutta entä todisteet? Muller myöntää ettei hänellä oikeastaan ole niitä, ei ainakaan vielä. Ja tässä hän kuuluttaa apuun uutta Einsteinia, joka peruskäsitteistä johdettavilla ajatuskokeilla löytäisi tien ulos umpikujasta. Tämä heijastelee Mullerin pettymystä suureen osaan teoreettisen fysiikan ja kosmologian viimeaikaista kehitystä. Hän kritisoi etenkin teoreetikkojen taipumusta soveltaa teorioitaan alueilla, jotka ovat kaukana kokeellisesti tai havaintojen avulla testatusta. Hän tuntuu vakuuttuneelta siitä, että teoreetikot yrittävät väkisin luoda ”lopullista teoriaa” vaiheessa, jossa oleellisia palikoita vielä puuttuu paketista.
Kirjan loppupuolella tekstin sävy muuttuu. Muller mm. hyökkää fysikalismiksi nimittämäänsä ajattelutapaa vastaan, ajatusta jonka mukaan kaikki on ainakin periaatteessa selitettävissä fysiikan tai luonnontieteen lainalaisuuksilla. Tuekseen Muller tuo mielestäni hyvin epävakuuttavasti ja jopa ylitulkittuna Gödelin epätäydellisyyslauseen, samaten kvanttimekaniikkaan liittyvän satunnaisuuden. Jos on ilmiöitä, jotka ovat luonnontieteellisten teorioiden keinovalikoimissa ennustamattomia, niin tarkoittaako se silti, että niillä ei ole fysikaalista perustaa? Jos aivoissa tapahtuvat satunnaisprosessit vaikuttavat ajatuksiimme, niin seuraako tästä se, että meillä on vapaa tahto? Tai voimmeko tieteellisesti tutkia sitä, näemmekö värin sininen samalla tavalla? Nämä ovat kiehtovia kysymyksiä, valitettavasti Mullerin perustelut vastauksilleen eivät vakuuta minua. Ja hänen kuvailemassa muodossa fysikalismi muistuttaa olkiukkoa, joka on todellista vastustajaa helpommin voitettavissa.
Kokonaisuutena Mullerin kirja on kuitenkin erinomainen, välistä ärsyttävälläkin tavalla ajatuksia herättävä. Entä se uusi Einstein, olisiko vaikkapa Lee Smolinista sellaiseksi? Tätä tarkastelen aikaa käsittelevien blogikirjoitusteni seuraavassa osassa.
