Tässä blogikirjoituksessa tutkimme, kulkeeko aika todella vain suoraviivaisesti ja miten sen suunta voi muuttua maailmankaikkeudessa ja evoluutiossa.
Mitä aika on? Hippon Augustinus sanoi: ”Kun kukaan ei kysy, tiedän mitä aika on; mutta kun yritän selittää sitä, en enää tiedä.” Hippon Augustinuksen sanat osoittavat osuvasti ajan luonteen. Vaikka sen olemusta on vaikea ymmärtää, on selvää, että aika virtaa kuin nuoli menneisyydestä kohti tulevaisuutta. Tämä virtaus läpäisee jokaisen elämämme hetken, ja ihmisen kokemus rakentuu ajan kulumisen mukaan. Menneisyys, jonka muistamme, tulevaisuus, jonka ennustamme, ja nykyhetki, jossa elämme, ovat kaikki ajan sisällä.
Ajan suuntaa koskeva tieteellinen tutkimus alkoi vasta nykyaikana, ja siihen liittyi kaksi päänäkökulmaa: kosmologinen aika ja termodynaaminen aika. Kosmologinen aika liittyy maailmankaikkeuden laajenemissuuntaan. Termodynaaminen aika on käsite, joka liittyy ajan etenemiseen kasvavan entropian eli epäjärjestyksen suuntaan. Nämä kaksi näkökulmaa tarjoavat olennaiset viitekehykset ajan käsitteen ymmärtämiselle, ja kummallakin teorialla on ainutlaatuinen rooli sen selittämisessä.
Kosmologinen aika, maailmankaikkeuteen sovellettava ajan käsite, esiteltiin Isaac Newtonin lakien ja Albert Einsteinin suhteellisuusteorian kautta. Isaac Newtonin lakien mukaan kappaleen nykyisen tilan – sen sijainnin ja nopeuden – tunteminen mahdollistaa sen tulevan tai menneen tilan määrittämisen. Kun näitä lakeja sovelletaan koko maailmankaikkeuteen, on kuitenkin mahdotonta määrittää, osoittaako ajan suunta menneisyyteen vai tulevaisuuteen. Toisin sanoen, vaikka ajan oletettaisiin kulkevan taaksepäin, kappaleiden liike näyttäisi silti noudattavan Isaac Newtonin lakeja. Tätä kutsutaan ajan symmetriaksi. Esimerkiksi avaruusluotaimen kuvaama planeettojen liikkeestä otettu filmimateriaali toistuisi täydellisesti riippumatta siitä, toistettiinko se eteenpäin vai taaksepäin, ja sopisi silti hyvin Isaac Newtonin lakien kanssa. Siksi Newtonin lait yksinään eivät pysty selittämään riittävästi kosmologisen ajan suuntaa, jonka ajatellaan etenevän nykyisen laajenevan maailmankaikkeuden suuntaan.
Lisäksi edes Albert Einsteinin suhteellisuusteoria, joka tunnetaan parhaiten maailmankaikkeuden laajenemista selittävänä teoriana tähän mennessä, ei pysty tarjoamaan asianmukaista selitystä ajan suunnalle. Vaikka Albert Einsteinin suhteellisuusteoria antoi uraauurtavan panoksen määrittelemällä uudelleen ajan ja avaruuden välisen suhteen ja selittämällä maailmankaikkeuden toimintaa, se jättää edelleen aukkoja ajan epäsymmetrian suhteen. Tämä rajoitus on saanut tiedemiehet etsimään uutta yhtenäistä teoriaa ja vaatii syvempää ymmärrystä ajan toiminnasta.
Termodynaaminen aika puolestaan viittaa termodynamiikan toisen pääsäännön kuvaamaan aikaan. Tämän lain mukaan luonnonilmiöt etenevät suuntaan, jossa energia haihtuu ja entropia kasvaa. Aivan kuten keraaminen ruukku särkyy pudottaessaan lattialle tai huoneessa nouseva savu leviää vähitellen ulospäin, kun ikkuna avataan, luonto etenee kohti maksimaalisen epäjärjestyksen tilaa. Näissä esimerkeissä havaittu aika on peruuttamatonta, joten sitä kutsutaan peruuttamattomaksi ajaksi. Näiden luonnonilmiöiden suunta on juuri termodynaamisen ajan suunta. Tämä laki selittää ajan suunnan, jonka koemme jokapäiväisessä maailmassamme poikkeamatta todellisuudesta.
Termodynamiikan toinen pääsääntö saattaa ajoittain vaikuttaa ongelmalliselta. Se näyttää olevan ristiriidassa evoluutioteorian kanssa, jonka mukaan elämänmuodot syntyvät ja kehittyvät järjestäytyneiksi organismeiksi. Tämä johtuu siitä, että evoluution mukaan yksinkertaisemmat elämänmuodot kehittyvät monimutkaisemmiksi, mikä viittaa järjestyksen asteen kasvuun. Tämän näennäisen ristiriidan osalta Ilja Romanovitš Prigožinen osoitti, että järjestys voi syntyä epäjärjestyksestä, selittäen siten, kuinka evoluutioteoria ja termodynamiikan toinen pääsääntö voivat esiintyä rinnakkain. Toisin sanoen luonnossa ei ole ainoastaan prosesseja, jotka pyrkivät termiseen tasapainoon – maksimaalisen entropian tilaan – vaan siinä voi myös esiintyä epätasapainotiloja, jotka minimoivat entropian kasvun. Toisin sanoen, vaikka koko luonnollinen maailma epäilemättä etenee kohti termistä tasapainoa, epätasapainotiloja voi esiintyä tietyillä aika-avaruusalueilla.
Esimerkiksi kun mustepisara pudotetaan veteen, lopulliseksi tilaksi tulee vaalea tasapainotila. Prosessin tarkkailu kuitenkin paljastaa musteen levitessä syntyvät kuviot ja rakenteet. Tämä on juuri esimerkki epätasapainotilasta, joka syntyy väliaikaisesti vedessä. Evoluutioteoriaa pidetään myös tätä prosessia vastaavana ilmiönä, jossa epätasapainotilat jatkuvat. Tällä tavoin selitettynä termodynamiikan toinen pääsääntö voi esiintyä ristiriidassa evoluutioteorian kanssa ja samalla tehokkaasti selittää arkipäivän ajan suunnan. Lisäksi tämä termodynamiikan toisen pääsäännön näkökohta viittaa siihen, että ajan suunta ei seuraa pelkästään entropian kasvua; paikallisesti järjestys ja kompleksisuus voivat kasvaa. Tämä on linjassa ympärillämme esiintyvien erilaisten luonnonilmiöiden kanssa ja sillä on ratkaiseva rooli elämän ja evoluution monimutkaisuuden ymmärtämisessä.
Mutta mitä tapahtuu, jos laajennamme tämän toisen pääsäännön koko maailmankaikkeuteen? Lopulta maailmankaikkeus etenee alhaisen entropian tilasta korkean entropian ja epäjärjestyksen tilaan. Jos tämä entropian kasvuprosessi jatkuu loputtomiin, maailmankaikkeus saavuttaa maksimaalisen entropian tilan – tilan, jota kutsutaan lämpökuolemaksi, jossa kaikki käyttökelpoinen energia on täysin haihtunut eikä enää tapahdu aktiivisuutta. Tämä lämpökuoleman tila edustaa ajan lopullista päätepistettä. Tämä tulkinta ei kuitenkaan ota huomioon maailmankaikkeuden laajenemisprosessin aikana vaikuttavaa gravitaatiovoimaa. Siksi se jää vain hypoteesiksi eikä kuvaa tarkasti maailmankaikkeuden todellista aikaa.
Samoin termodynamiikan toisella pääsäännöllä on selitysvoimaa vain arkipäivän maailmassa; se ei pysty riittävästi selittämään ajan suuntaa koko maailmankaikkeudessa. Samoin aiemmin kuvatut Isaac Newtonin lait ja suhteellisuusteoria eivät pysty selittämään kosmologisen ajan suuntaa. Ajan käsite on paljon monimutkaisempi kuin se, mitä koemme jokapäiväisessä elämässä, ja se vaatii paljon enemmän tutkimusta ja sen olemuksen ymmärtämistä. Ajan suunnan todellisen selityksen saavuttamiseksi tarvitaan yhtenäinen teoria, joka pystyy samanaikaisesti selittämään sekä arkipäivän ajan suunnan että koko maailmankaikkeuteen sovellettavan ajan suunnan. Tällaisen teorian kehittäminen on suuri haaste nykyaikaiselle tieteelle.
