Ajan arvoitus III: Muller ja kosminen aika

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.
  

Ajan arvoitus II: Rovelli ja entropia

Carlo Rovellin erikoisalaa on silmukkakvanttigravitaatio, joka on yksi yrityksistä kehittää painovoimalle kvanttiteoria. Hänen tutkimuksensa edustaa nykyfysiikan kehityslinjaa, joka pyrkii pääsemään yleistä suhteellisuusteoriaa pidemmälle. Niinpä onkin vähän yllättävää, että hän päätyy kirjassaan Ajan luonne (Tähtitieteellinen yhdisty Ursa, 2018) kannattamaan pohjimmiltaan näkemystä, joka on esitetty jo lähes sata vuotta sitten.

Kirjan alkupuolella Rovelli käsittelee suhteellisuusteorian tuomia näkökulmia ajan käsitteeseen, esimerkiksi ajan suhteellisuutta, sen kulkunopeuden riippuvuutta liiketilasta ja painovoimakentästä: kaikille yhteistä nykyhetkeä ei ole. Tosin Rovelli on itse ollut mukana kirjoittamassa artikkelia (Maroun & Rovelli 2015), jossa väitetysti osoitetaan, että suhteellisuusteoria on mahdollista esittää myös sellaisessa muodossa, jossa on olemassa universaali aika ja toisaalta prosesseissa ilmenevä "metabolinen aika", jossa esiintyvät suhteellisuusteoriasta tutut aikadilataatiot. Rovelli ei kuitenkaan pidä tätä lähestymistapaa hedelmällisenä, ehkä hän kokee tällaisen järjestelyn tarpeettomaksi monimutkaistukseksi.

Samaan tapaan kuin Arthur Eddington jo vuonna 1928, Rovelli liittää ajan kulumisen ja kulkusuunnan entropian käsitteeseen. Hän ei

tosin mainitse Eddingtonia kertaakaan. Entropia on mitta fysikaalisen systeemin epäjärjestykselle, termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan suljetun systeemin kokonaisentropia säilyy vakiona tai lisääntyy. Tämä lähestymistapa aikaan on sukua jo Aristoteleen esittämälle näkemykselle, jonka mukaan jos mitään ei tapahdu, ei aikaakaan kulu.

Rovelli johtaa oman näkemyksensä silmukkakvanttigravitaation pohjalta. Siinä rakeisessa muodossa eli hiukkasina olevat kentät eivät ole avaruudessa, vaan niiden vuorovaikutukset muodostavat avaruuden ja ajan. Riittävän pienessä mittakaavassa ei hänen mukaansa aikaa ole olemassakaan, vaan se ilmenee vasta suuremman mittakaavan tarkasteluissa. Ja niissä tulee esiin entropia: "Jälkiä on olemassa menneisyydestä mutta ei tulevaisuudesta vain, koska entropia oli matala menneisyydessä. Mitään muita syitä ei voi olla, koska menneisyyden ja tulevaisuuden välisen eron ainoa lähde on menneisyyden matala entropia." (s. 162)

Rovelli suhtautuu hyvin kielteisesti ajatukseen, jonka mukaan filosofeilla olisi jotakin annettavaa kysymykseen ajan luonteesta, se on hänen mukaansa lähinnä fysikaalinen kysymys, jopa kohtuullisen rajoitetusti määritelty: "Kun emme voi muotoilla ongelmaa tarkasti, se ei useinkaan johdu ongelman syvällisyydestä, vaan siitä, että se on väärä." (s. 195)

Saiko Rovelli minut vakuuttuneeksi siitä, että aikaa ei ole perusteorioiden tasolla olemassa ja että ajan kuluminen johtuu vain entropian lisääntymisestä? Valitettavasti en kokenut Rovellin lopulta osoittaneen mitään suuntaan taikka toiseen. Avainkysymysten suhteen kaikki tuntuu jäävän ilmaan: voiko esimerkiksi siitä, että useimmat fysiikan perusteoriat eivät tunnusta ajan olemassaoloa tai kulkusuuntaa ainakaan mikroskooppisella tasolla, ehdottomasti päätellä ettei sitä ole? Vai voisivatko tunnetusti keskeneräiset teoriamme olla tässä suhteessa puutteellinen kuvaus todellisuudesta? Joissakin Rovellin perusteluissa on jopa kehäpäätelmän makua (esim. ajan suunnan ja entropian yhteys).

Vaikka Rovelli ei saakaan minua vakuuttuneeksi, tekstiä hän kyllä osaa vyöryttää. En tosin ihmeemmin pidä hänen polveilevasta jutustelun omaisesta tyylistään, joka sopisi paremmin luentosaliin tai punaviinilasin tai tuopin ääreen. Hannu Karttusen suomennos vaikuttaa oikein mallikkaalta. 

En ole edellä esittämieni epäilysteni kanssa yksin, seuraavassa blogissa tarkastelen Richard A. Mullerin kirjaa Now: The Physics of Time. Sen mukaan ajan kulumisen yhdistäminen entropiaan on silkkaa hölynpölyä.