Kuun synty ja vaikutus maapalloon

Kuu kameran taltioimana (Pertti Rautiainen).

Lauantaina 20.7. tulee kuluneeksi 50 vuotta siitä, kun ihminen ensimmäisen kerran laskeutui Kuun pinnalle. Mutta miten Maan uskollinen seuralainen on syntynyt ja mikä on sen vaikutus maapalloon ja sen elämään?

Nykyisin suosituimman käsityksen mukaan Kuu syntyi noin 4,5 miljardia vuotta sitten, kun suunnilleen Marsin kokoinen kappale, jolle on annettu nimi Theia, törmäsi alkumaapalloon. Törmäyksen jälkeen Maata ympäröi räjähdyksessä singonneesta materiasta muodostunut kiekko, josta syntyi vähitellen Kuu. Tämä malli selittää useita Maan ja Kuun yhteneväisyyksiä ja eroja, esimerkiksi sen, että vaikka Maan ja Kuun kivien isotooppikoostumus on samanlainen, niin Kuun keskitiheys on paljon alhaisempi kuin Maan. Yksinkertaistetusti Kuu syntyi lähinnä Theian ja Maan vaipoista, Maan raskaimmat alkuaineet olivat jo suurelta osin päätyneet ytimeen. 

Kuun vaikutuksista Maahan tutuin ovat vuorovedet: vuoksiaalto nousee kahdesti vuorokaudessa. Tämä tapahtuu paitsi samalla puolella Maata kuin Kuu, niin myös vastakkaisella puolella. Kuu on meitä niin lähellä, että sen aiheuttaman vetovoiman suuruus eroaa merkittävästi Maan eri osissa: Kuuta lähempänä olevassa osassa vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys kohti Kuuta on suurempi kuin maapallon keskipisteen kohdalla, toisaalta vastakkaisella puolella se on taas vähäisempi kuin Maan keskipisteessä. Jos Kuun aiheuttamasta kiihtyvyydestä kussakin Maan pinnan pisteessä poistetaan Kuun aiheuttama kiihtyvyys Maan keskipisteessä, niin jäljelle jää vain vuorovesivoiman aiheuttama kiihtyvyys (kts. oheinen kuva).

Kaavakuva vuorovesivoiman aiheuttamasta kiihtyvyydestä. Vedenpinta nousee paitsi Kuun puoleisessa osassa maapalloa, niin myös vastakkaisella puolella (Pertti Rautiainen).

Vuorovesillä on voinut olla ratkaiseva vaikutus siihen, että elämä siirtyi merestä maalle: rannikon vuorovesivyöhykkeessä elävät kasvit ja eläimet jäivät kahdesti vuorokaudessa kuiville, mikä edisti erilaisten selviytymismekanismien kehitystä päätyen lopulta siirtymään pois merestä. Voisiko muuten Maan kaltaisella planeetalla, jolta puuttuu massiivinen seuralainen, tapahtua vastaava siirros? Toki Auringon vetovoimaankin liittyy vuorovesivoima, mutta Auringon suuremmasta etäisyydestä johtuen sen voimakkuus on paljon pienempi.

Varhaisvaiheessa Kuu kiersi Maata paljon nykyistä lähempänä ja Kuun nostattamat vuorovesivoimat olivat paljon nykyistä voimakkaampia. Niiden ansiosta Kuun pyörimis- ja kiertoajat ovat lukkiutuneet, Kuu kääntää meihin aina saman puoliskonsa. 

Maan pyörimisen johdosta vuorovesiaalto edistää verrattuna Kuun sijaintiin. Wikimedia Commons: AndrewBuck CC BY-SA 3.0

Maan pyörimisen ansiosta vuoksiaalto edistää verrattuna Kuun sijaintiin (kts. kuva), tämä jarruttaa Maan pyörimistä ja samalla Kuu etääntyy Maasta. Fysiikan kielellä Maan pyörimiseen liittyvää liikemäärämomenttia siirtyy Kuun rataliikkeeseen. Nykyään Kuu etääntyy Maasta keskimäärin 3,8 cm vuodessa. Tämä on mitattu lähettämällä lasersäteitä astronauttien Kuuhun asentamiin peileihin. 

Kuun vetovoimalla on voinut olla vuorovesivyöhykkeen ohella toinenkin ratkaiseva vaikutus Maan elämään, sillä se stabilisoi Maan akselikallistuman (suhteessa Maan ratatasoon) vaihtelut melko kapealle välille, noin 22 - 24,5 astetta. Tätä suurempi akselikallistuman arvo tarkoittaisi nykyistä isompaa eroa vuodenaikojen välillä, millä olisi mahdollisesti epäsuotuinen vaikutus elämän kehitykseen. Suuret muutokset akselikallistuman arvossa ylipäänsä puolestaan muuttaisivat rajusti ilmastoa.

On myös esitetty, että ilman Kuuta Maassa ei esiintyisi laattatektoniikkaa, ts. kuuttomana planeetallamme ei olisi lainkaan mantereita. Laattatektoniikalla on myös monenlaisia vaikutuksia maapallon ilmakehään ja ilmastoon, joten sitäkin kautta massiivinen Kuu voi olla olemassaolomme kannalta välttämätön. Vaikka tiedämme Linnunradassa olevan paljon muita tähtiä kiertäviä eksoplaneettoja, niin kuinka monella on vastaava kiertolainen kuin meillä? 

Kuu onkin keskeisessä roolissa ns. harvinaisen maan hypoteesissa, jonka esittäjät Peter Ward ja Donald E. Brownlee ovat väittäneet monimutkaisen elämän synnyn olevan hyvin poikkeuksellinen tapahtuma. Riippumatta siitä, ovatko he oikeassa, kiertolaisemme on joka tapauksessa kiehtova ja vaikuttava taivaankappale.

Lähteitä

Karttunen et al., Tähtitieteen perusteet
Ward, P. & Brownlee, D.E., Rare Earth
Whitehouse, D., Kuun elämäkerta
Kuuta ja Milankovichin syklejä käsittelevät englanninkieliset Wikipedia-artikkelit

Ajan arvoitus IV: Smolin asettaa ajan keskiöön

Lee Smolin on teoreettinen fyysikko, jonka päätutkimusaihe on ollut silmukkakvanttigravitaatio, yksi yritelmistä luoda painovoimalle kvanttiteoria. Hän ei ole pelännyt esittää eksoottisiltakaan kuulostavia teorioita, kuten uusia maailmankaikkeuksia synnyttäviä ja eräänlaista luonnonvalintaa noudattavia mustia aukkoja.

Kirjassaan Time Reborn Smolin esittää, että aika, sen kuluminen ja kulkusuunta eivät missään tapauksessa ole illuusiota, ts. hän on vahvasti eri mieltä kuin esim. Carlo Rovelli, jonka kirjaa Ajan luonne käsittelin aiemmin. Smolinin mukaan ajan roolin vähättely on yksi syistä hänen
hahmottelemaansa teoreettisen fysiikan ongelmatilaan, jota ilmentävät rakenteet ja käsitteet, joita on vaikeaa tai jopa mahdoton testata. Tätä Smolin on käsitellyt myös aiemmassa kirjassaan Trouble With Physics.

Monien tutkijoiden mukaan nykyiset fysiikan teoriat voivat selittää maailmankaikkeuden sellaisena kuin se on vain mikäli se osa vielä suurempaa kokonaisuutta, multiversumia. Smolin katsoo tämän johtuvan ainakin osin siitä, että fysiikan lainalaisuudet on johdettu pienessä mittakaavassa suoritettujen kokeiden avulla. Hänen mukaansa näin ei voi löytää selitystä koko maailmankaikkeudelle, vaan sitä pitäisi lähteä alunperinkin tarkastelemaan kokonaisuutena. Tämä kokonaisuudesta ponnistava lähestymistapa vaikuttaa ensi näkemältä hyvin erilaiselta kuin tavanomainen tapa tehdä fysiikkaa, mutta ei lopulta eroa ehkä paljoakaan siitä, miten Einstein asioita lähestyi. Hänhän ei nojannut juuri koskaan yksittäisiin koetuloksiin, vaan lähti yleisiksi olettamistaan periaatteista, joiden seurauksia hän tarkasteli ajatuskokeiden avulla. Toki hän sen jälkeen kehotti kokeilijoita pohtimaan tapoja koetella teorioitaan käytännössä – varsin hyvällä
menestyksellä.

Einstein itse oli avainroolissa kumoamassa käsitystä absoluuttisen ajan todellisuudesta: suhteellisuusteorian mukaan kahden tapahtuman samanaikaisuus tai aikajärjestys ovat suhteellisia silloin kun niiden välillä ei ole kausaalista suhdetta. Samaten suhteellisuusteoriaan pohjaavan big
bang -kosmologian tulkitaan usein osoittavan, että aika itsessään syntyi alkuräjähdyksessä, jota edeltäviä ajanhetkiä ei ole.

Smolin ei tyydy nykyisiin kosmologisiin teorioihin, vaan kuuluttaa uuden perään. Uuden teorian, jolle on hänen mukaansa asetettava seuraavat vähimmäisvaatimukset:

1) Sen on kyettävä selittämään se, minkä nykyisetkin teoriat, joiden tiedetään toimivan erinomaisesti omalla soveltuvuusalueellaan.

2) Teorian on oltava tieteellinen siinä mielessä, että se tekee testattavissa olevia ennusteita.

3) Sen pitää selittää miksi luonnonlait ovat sellaisia kuin ne ovat.

4) Sen pitää selittää miksi maailmankaikkeuden alkutila oli sellainen kuin oli.

Smolin on aiemmassa blogissa käsittelemäni Richard Mullerin tavoin siis hyvin kriittinen paitsi multiversumille, niin myös antrooppisen periaatteen kaltaisille luomuksille. Hän suhtautuu myös varauksellisesti kvanttimekaniikkaan, Einsteinin tavoin hän uskoo sen takana piilevän jokin syvällisempi teoria.

Smolinin mukaan aika on paitsi todellinen, niin on olemassa myös globaali tai universaali aika. Tässä hän viittaa, jälleen samaan tapaan kuin Muller, laajenevaan maailmankaikkeuteen. Jos tarkastelemme mikroaaltoalueen kosmista taustasäteilyä, niin sen lämpötila on kaikissa suunnissa hyvin pienet vaihtelut poislukien sama. Smolinin mukaan tämä ilmentää sitä, että suuressa mittakaavassa on olemassa eräänlainen ”lepotila”; maailmankaikkeuden koko ja laajeneminen toimivat tätä tilaa vastaavan yleisajan mittareina.

Ajan sijaan Smolin esittää avaruuden olevan illuusio samaan tapaan kuin lämpötila tai paine. Yritän selittää tätä kieltämättä varsin hämmentävää ajatusta. Tarkastellaan jotain kuviteltuja kappaleita avaruudessa. Jos avaruudella ei ole valtavaa määrää ulottuvuuksia, niin geometrisesti lähekkäisiä pisteitä voi olla melko vähän, kaksiulotteisessa tapauksessa voisimme kuvata tilannetta ruudukolla, jonka viivojen leikkauspisteissä kappaleet sijaitsevat. Tämä avaruus olisi kvantittunut, pienin mahdollinen liike vastaisi hyppyä leikkauspisteestä seuraavaan. Vierekkäiset leikkauspisteet ovat meidän mielestämme lähellä, useimmat muut taas kauempana. Yhteyksiä tai vuorovaikutuksia pisteiden välillä koskeva sääntö on tässä tapauksessa painovoiman kvanttiversio.

Varhainen maailmankaikkeus oli hyvin kuuma ja siten niin energeettinen, että kaikki pisteet olivat yhteydessä toisiinsa. Sen jäähtyessä yhteydet vähitellen katkeilivat siten, että jäljelle jäi lähinnä paikallisia yhteyksiä. Smolinin mukaan juuri tämä luo meille illuusion kolmiulotteisesta avaruudesta, samaten se poistaa tarpeen kosmiselle inflaatiolle. Jäljelle jääneet harvat ei-paikalliset yhteydet puolestaan voivat selittää pimeän energian, mahdollisesti pimeän aineenkin. Ja tämä kaikki olisi mahdollista vain jos aika olisi todellinen. Smolin perustelee ajatuksiaan sanojen lisäksi muutamilla lauseilla, mutta valitettavasti en voi väittää olevani kovin vakuuttunut muusta kuin aiheen kiehtovuudesta.

Smolin suhtautuu myös varsin kriittisesti matemaattisten teorioiden mahdollisuuksiin: ”Logic and mathematics capture aspects of nature, but never the whole nature. There are aspects of the real world that will never be representable in mathematics. One of them is that in the real world it is always some particular moment.”, s. 246. Vähän samaan tapaan kuin Muller, Smolin tuntuu tässä syleilevän Kurt Gödelin ajatuksia. Vähän myöhemmin hän kirjoittaa: ”Mathematics is a great tool, but the ultimate governing language of science is language.”

Näyttää siis siltä, että Smolinin ajattelu muistuttaa monessa suhteessa enemmän filosofiaa kuin fysiikkaa tai kosmologiaa. Näin ollen ei ole yllättävää, että hän on jatkanut etsiskelyään yhdessä filosofi Roberto Mangabeira Ungerin kanssa. Heidän kirjoittamansa kirja The Singular Universe And the Reality of Time on hyllyssäni, siitä ehkä jossakin myöhemmässä blogikirjoituksessa.

Jättäen tilaa mahdollisille jatko-osille, päätän aikaa kirjaesittelyjen kautta käsittelevien blogikirjoitusten sarjan toistaiseksi tähän. Jokseenkin yhtä hämmentyneenä kuin Augustinus aikoinaan.

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.
  

Siirtyvä tasauspiste taivaalla

Tänään on kevätpäiväntasaus eli Aurinko siirtyy vuotuisessa liikkeessään eteläiseltä taivaanpallon puoliskolta pohjoiselle. Kevättasauksen päivämäärä on eri vuosina välillä 19.-21.3., vuonna 2019 Auringon siirtymä tapahtuu 20.3., vain pari minuuttia ennen puoltayötä.

Periaatteessa päivän ja yön pitäisi olla kaikkialla maailmassa yhtä pitkiä tasauspisteen ajankohtana, mutta tarkasti ottaen näin ei ole, vaan keväällä tämä hetki on muutamaa päivää ennen kevättasausta, syksyllä taas muutama päivä syystasauksen jälkeen. Tämä johtuu lähinnä Maan ilmakehän valoa taittavasta vaikutuksesta. Enemmän tästä aiemmassa blogikirjoituksessani.

Auringon rata taivaanpallolla leikkaa taivaanpallon ekvaattorin kevättasauspisteessä, josta käytetään samaa symbolia kuin Oinaan tähtikuviosta ja horoskooppimerkistä. Englannin kielessä pisteestä käytetään usein nimitystä First Point of Aries, suomenkielisen Wikipedian Aries-pistettä en muista muualla nähneeni. Miksi yhteys Oinaan tähtikuvioon, kun Aurinko on tänään Kalojen tähtikuviossa, siinäkin lähempänä Vesimiestä kuin Oinasta?

Kevättasauspiste sijaitsee nykyään (sininen nuoli) Kalojen tähtikuviossa, melko lähellä Vesimiestä. Hipparkoksen aikoihin se sijaitsi Oinaan tähtikuvion reunassa (punainen nuoli). Punainen katkoviiva on ekliptika eli eläinrata, joka on Auringon vuotuinen rata taivaanpallolla. Alkuperäinen kuva, johon lisäsin nuolet: Torsten Bronger Creative Commons

Nimi vie meidät yli 2000 vuoden taakse menneisyyteen, suuren kreikkalaisen tähtitieteilijän Hipparkhoksen aikoihin. Tuolloin kevättasauspiste sijaitsi Oinaan tähtikuviossa, sen läntisessä reunassa lähellä Kaloja. Auringon siirtymä Oinaan tähtikuvioon osui lähelle kevättasausta, tästä nimitys First Point of Aries.

Maan akselin prekessio. Robert Simmon, NASA, GSFC.

Mutta miksi kevättasauspiste sitten vaeltaa taivaalla? Tämä johtuu Maan pyörimisakselin kieppumisesta eli prekessiosta. Syynä tähän liikkeeseen on Auringon ja Kuun vetovoimien vaikutus muodoltaan hieman pallosta poikkeavaan Maahan.

Pyörimisakseli osoittaa taivaannavan suuntaan, tällä hetkellä taivaannapa on noin asteen päässä Pohjantähdestä. Hipparkoksen aikoihin tilanne oli kuitenkin toinen, silloin pohjoisen taivaannavan lähellä ei ollut yhtään kirkasta tähteä. Joissakin antiikin lähteissä mainitaankin, että pohjoissuunta määritettiin tähtitaivaalta käyttäen kahta tähteä, Pohjantähteä ja samassa Pienen karhun tähtikuviossa olevaa Kochabia.

Pohjoisen taivaannavan liike prekession vaikutuksesta. Taivaannapa on nyt lähellä Pohjantähteä, mutta Hipparkhoksen aikoihin sen lähellä ei ollut yhtään kirkasta tähteä. Wikimedia Commons: Tau'olunga CC BY-SA 2.5

Maapallon akselin hyrräliike tarkoittaa taivaannavan liikkeen lisäksi myös sitä, että kevättasauspiste siirtyy pitkin eläinrataa eli ekliptikaa, joka on Auringon näennäinen rata taivaalla. Näennäisellä tarkoitan tässä yhteydessä sitä, että kyseinen liike on oikeastaan heijastuma Maan rataliikkeestä Auringon ympäri. Täysi kierros Maan akselin hyrräliikkeessä ei ole kovin lyhyt aika, se vie noin 25 800 vuotta. Vaikka ilmiö vaikuttaakin pieneltä, sen havaitseminen onnistuu ilman moderneja mittausvälineitä - prekession löysi jo aiemmin mainittu Hipparkhos. Hän vertasi omia havaintojaan tähtien sijainnista reilut sata vuotta aiemmin tehtyihin ja huomasi koordinaattien muuttuneen systemaattisesti.

Hupaisa seuraus prekessiosta on se, että horoskooppimerkit ovat nykyään suunnilleen yhden merkin verran pielessä verrattuna Auringon sijaintiin taivaalla. Oma merkkini on Neitsyt, mutta syntymäni hetkellä Aurinko oli Leijonan tähtikuviossa.

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.

Ajan arvoitus I: johdanto

Atsteekkien kalenterikivi. (Wikimedia Commons: El Comandante)

Ihminen on mahdollisesti ainoa otus, jolla on selkeä ajantaju: me elämme muiden eläinten tavoin nykyhetkessä. Niistä poiketen me muistamme menneisyyden ja pystymme rajoitetussa mielessä ennakoimaan tulevaisuutta. Muilla lajeilla ennakointi ja vastaavat ilmiöt saattavat muistin ja päättelyn sijaan liittyä vaistotoimintaan (Whitrow, Ajan historia). Eläinten älykkyyttä koskeviin arvioihin kannattaa tosin suhtautua melkoisella varauksella. 

Käsityksemme ajasta ei ole yhtenäinen, meille on tuttu henkilökohtaisen ajantajun suhteellisuus, lapsuuden pitkät tapahtumarikkaat päivät vs. myöhemmän iän nopeasti kiitävä aika. On myös tuskallista, miten eri tahtiin aika tuntuu kuluvan riippuen siitä, kummalla puolella lukittua vessan ovea olemme. Aikakäsityksessä on myös kulttuurisidonnaisuuksia, joidenkin mukaan aika on ikuinen, toisten mielestä sillä on alku, mahdollisesti loppukin. On myös olemassa käsitys syklisestä ajasta, jonka jokaisessa jaksossa toistuvat samat ilmiöt, ei välttämättä yksittäisten tapahtumien tasolla, vaan yleisempien tendenssien muodossa. 

Erilaisille aikakäsityksille löytyy esimerkkejä myös luonnosta. Etenkin toistuvia taivaan ilmiöitä on käytetty hyväksi kehitettäessä ajanlaskujärjestelmiä. Vuosi tulee Maan kiertoliikkeestä Auringon ympäri, kuukausi Kuun kierroksesta Maan ympäri, viikko kuunvaiheista, vuorokausi Maan pyörimisliikkeestä akselinsa ympäri. Oma kalenterimme on yhdistelmä kahdesta perinteestä: meillä on periaatteessa egyptiläinen vuosi ja tunti, viikko on puolestaan kotoisin Mesopotamiasta. Nämä ovat tulleet meille kreikkalaisten ja roomalaisten välityksellä ja muokkaamina.

Kalenterijärjestelmien kehittäminen ei ollut aivan suoraviivaista, sillä aikayksiköiden pohjana olevat ilmiöt eivät ole yhteismitallisia. Aika täysikuusta seuraavaan ei ole tasamäärä päiviä, ei myöskään Maan täysi kierros Auringon ympäri. Tunnetuin esimerkki tästä on karkausvuosi, jonka avulla yritetään pitää vuodenajat samassa syklissä kalenterivuoden kanssa. Maan täysi kierros Auringon ympäri kestää noin 365,2564 vuorokautta. Juliaanisessa kalenterissa jokainen neljällä jaollinen vuosi oli karkausvuosi, joka sisälsi ylimääräisen päivän. Pitkän ajan kuluessa tämä järjestelmä alkoi kuitenkin jätättämään verrattuna vuodenaikoihin, siirtyminen tarkemman karkauspäiväkäytännön sisältävään gregoriaaniseen kalenteriin näkyikin eräänlaisena aikahyppynä eteenpäin. Kun Britanniassa vuonna 1752 siirryttiin gregoriaaniseen kalenteriin, jäi kalenterissa yksitoista päivää väliin. Jotkut eivät ymmärtäneet kalenterin olevan sopimuskysymys, vaan he mellakoivat kuviteltuaan hallituksen varastaneen heidän elämästään nuo päivät. Vähän ovelammat taas yrittivät saada palkan myös väliin jääneiltä päiviltä.

Vaikka tajuaisimmekin ajan mittaamiseen liittyvän käytännön sopimuksia, niin kysymys ajan itsensä luonteesta saa meidät helposti hämilleen. Moni pitää käsitettä itsestäänselvyytenä kunnes yrittää pukea sen sanoiksi. Hyvin kuuluisa on Augustinuksen pohdiskelu ”Mikä siis on aika? Minä luulen sen tietäväni, jos ei kukaan sitä minulta kysele. Mutta jos joku sitä kysyy ja tahtoisin sen selittää hänelle, minä en sitä tiedä” (Nordin, Filosofian historia). Osa filosofeista, tutkijoista ja muista oppineista onkin sivuuttanut aikaan liittyvät käsitteelliset hankaluudet, toisaalta aiheesta on kirjoitettu paljon kirjojakin. 

Sanaleikin mukaan avaruus on olemassa siksi, että kaikki ei tapahtuisi samassa paikassa, aika puolestaan jotta kaikki asiat eivät tapahtuisi samanaikaisesti. Avaruus ja aika ilmenevätkin usein fysiikan laeissa, joiden avulla voidaan vaikkapa esittää kappaleen paikka jollakin ajasta riippuvalla funktiolla, jonka ensimmäinen aikaderivaatta on nopeus, toinen puolestaan kiihtyvyys. Näiden lakien perusteella voidaan laskea kappaleen paikka jonakin tulevaisuuden hetkenä, mikä on hyvin kätevää, jos kysymyksessä on esimerkiksi Maan läheisyydessä sijaitseva asteroidi. Toisaalta yhtä hyvin voidaan laskea kappaleen paikka menneisyydessä: useimmat fysiikan lait eivät tunnusta ajan kulkusuuntaa. Joidenkin fyysikkojen mukaan aika onkin eräänlainen illuusio.

Seuraavissa blogikirjoituksissa käsittelen tarkemmin kolmea viime vuosina ilmestynyttä teosta, joissa nimekkäät fyysikot yrittävät selittää aikaa päätyen lopulta hyvin erilaisiin näkemyksiin. Carlo Rovellin kirja Ajan luonne vastaa melko perinteistä näkemystä, joka asettaa yhtäsuuruusmerkin ajan kulkusuunnan ja entropian lisääntymisen välille. Richard Mullerin Now: The Physics of Time yhdistää ajan kulkusuunnan avaruuden laajenemiseen. Lee Smolinin Time Reborn puolestaan yrittää vakuuttaa, että monet nykyfysiikan ongelmista johtuvat siitä, että fysiikan kuva ajasta on puutteellinen. Eli näistä enemmän seuraavassa osassa. 

Lähteet

Karttunen Hannu et al., Tähtitieteen perusteet
Nordin, Svante, Filosofian historia
Whitrow, G.J., Ajan historia 

Todella pitkä aikajana

Aikajana vuosille 1850-2000 mittakaavassa 1 vuosi = 1 mm.
Kaavioon on myös merkitty muutaman aikakauden keskeisen vaikuttajan elinvuodet.

Useimmat meistä muistavat koulun historian tunneilta aikajanat, joihin oli merkitty tapahtumia ja kuuluisien henkilöiden elinaikoja. Ollessani lukiossa liimasin millimetripapereita yhteen tehdäkseni koko ihmiskunnan kirjoitetun historian kattavan aikajanan, valitsemassani mittakaavassa tarvitsin siihen reilut viisi metriä. Tuo skaala, 1 vuosi = 1 mm, on hyvä tähänkin kirjoitukseen, se muuttaa pitkätkin ajat melko helposti tajuttaviksi matkoiksi, ihmisen avaruudellinen hahmottamiskyky on parempi kuin ajallinen.

Jos vuosi on yhden millin verran, niin silloin suomalaisen tyypillinen elinaika on reilut kahdeksan senttiä. Kolumbus on meistä vähän reilun puolen metrin päässä, viikinkien Amerikan reissuun on matkaa suunnilleen metri, eli tuhat vuotta on koulun tauluviivottimen verran. Egyptin suurimmat pyramidit rakennettiin noin 4,5 metriä sitten, on huikeaa ajatella, että vanhan Egyptin viimeisestä hallitsijasta Kleopatrasta on tähän päivään noin kaksi metriä, Kleopatrasta suuriin pyramideihin 2,5 metriä.

Vanhimmat kirjoitukset Egyptistä ja Mesopotamiasta ovat noin 5,3 metrin takaa, siitä lukioaikaisen aikajanani pituus. Viimeisimmän jääkauden loppu on  vielä kauempana, noin 13 metrin päässä. Neandertalin ihminen kuoli sukupuuttoon noin 28 metriä sitten. Ihmiseen johtava linja erosi simpansseista noin 6 miljoonaa vuotta sitten, sitä vastaakin jo peräti 6 kilometriä.

Dinosaurukset kuolivat sukupuuttoon 65 kilometriä sitten, tälle hyvä vertauskohta on yhden aurinkokunnan kierroksen kesto galaksimme kiekossa, reilut 200 kilometriä. Maapallon synty tapahtui noin 4500 kilometriä sitten, alkuräjähdys on 13 800 km päässä. Maailmankaikkeuden alun ja maapallon synnyn välissä tapahtui mm. tähtien, galaksien ja galaksijoukkojen synty, kts. oheinen kuva.

Kosminen aikajana (NASA/WMAP Science Team)

Edellä kuvatulla tavalla laadittu aikajana tekee ainakin joitakin pitkiä ajanjaksoja helpommaksi käsittää - ainakin itse paremmin verrata kahdeksaa senttiä kolmeen metriin kuin vastaavaa eroa vuosissa. Mutta voisiko miljoonien ja miljardien vuosien hahmottamista yrittää tehdä vieläkin helpommaksi?

Oulun yliopiston pihalla olevan graniittipallon läpimitta on 3 metriä. Kolmiulotteisessa mittakaavasssa 1 vuosi = 1 mm^3 palloon mahtuisi koko maailmankaikkeuden historia (Pertti Rautiainen).

Aikajana on yksiulotteinen, hypätään saman tien kolmeen ulottuvuuteen. Nyt vuotta vastatkoon kuutiomilli. Yhteen kuutiosenttiin mahtuu silloin vuosia 10 x 10 x 10 eli 1000 kappaletta. Nyt on helppo hahmottaa niin vuosi kuin sen suhde tuhanteen vuoteen. Yksi litra on kuutiodesimetri, tämä vastaa miljoonaa vuotta, kuutiometri on puolestaan miljardi vuotta. Maailmankaikkeuden vajaat 14 miljardia vuotta saisi siis mahtumaan melko pieneen määrään kuutiometrin kokoisia kuutioita. Jos sen taas muotoilisi palloksi, niin pallon halkaisija olisi vain kolmisen metriä, se olisi siis jokseenkin saman kokoinen kuin Oulun yliopiston graniittipallo.