Monia aikaan liittyviä seikkoja on vaikea käsittää arkijärjellä. Aika on jotakin, joka koskee meitä kaikkia. Aika liittyy jokaisen elämään, alusta loppuun. Aikaa mitataan, sitä säästetään ja sen kanssa kiirehditään. Aika on suhteellista, sanotaan. Mitä aika todella on? Tässä 10 outoa asiaa ajasta.
Onko aika ihmiskunnan suurin ja viimeinen arvoitus? Onko aika mysteeri, joka ei milloinkaan ratkea? Mitä me siitä tiedämme? Näkemyksiä ja selityksiä ajan arvoitukseen on monia.
1. Kun kello käy hitaammin, aika kuluu hitaammin
Jos siirrät herätyskellon yöpöydältä lattialle, se käy hitaammin. Tai jos sinulla on rannekello ranteessasi ja matkustat lentokoneella, tuo kello käy hitaammin kuin se kävisi, jos pysyttelisit paikallasi maan pinnalla. Eikä ainoastaan kello käy hitaammin, vaan tapahtuu jotakin oudompaa. Kaikki tapahtuu hitaammin. Aika kuluu hitaammin.
Liike hidastaa aikaa. Painovoima hidastaa aikaa. Kello, jota liikutettiin 36 kilometrin tuntivauhdilla, kävi paikallaan olevaa kelloa hitaammin. Ja kello, joka nostettiin kolmisenkymmentä senttiä toisen kellon yläpuolelle, kävi alempana olevaa kelloa nopeammin. Tämä huomattiin, kun vuonna 2010 tehtiin koe kahta atomikelloa käyttäen. Kellojen näyttämän ajan ero ei ollut suuren suuri: muutamia sekunnin miljardisosan miljoonasosan sadasosia. Siis lähes mitättömän pieni, mutta riittävä todistamaan sen, mitä haluttiinkin todistaa: aika on suhteellista.
Niinhän se Einstein sanoi. Vuonna 1905 Albert Einstein esitti niin kutsutussa suppeassa suhteellisuusteoriassaan, että aika ei kulu tasaisella nopeudella. Ei ole olemassa mitään kaikille yhteistä ja yleistä aikaa.
Italialainen fyysikko Carlo Rovelli sanoo kirjassaan Ajan luonne, ettei ole mitään yhtä aikaa, vaan aikoja on suunnattoman monia. Eikä mikään niistä ole oikea aika. Rovelli vertaa tilannetta kahteen kelloon, joista toinen on pöydällä ja toinen lattialla. Kahteen kelloon, joista toinen käy nopeammin ja toinen hitaammin. Ne näyttävät siis eri aikaa. Kumpi niistä näyttää oikeaa aikaa? Pitäisikö sanoa, että pöydällä oleva kello edistää vai että lattialla oleva kello jätättää? Kysymys on järjetön, sanoo Rovelli, ja muistuttaa, että juuri tällä tavoin Einstein kuvasi aikaa yleisessä suhteellisuusteoriassaan vuonna 1915.
2. Kuinka toinen kaksosista voi olla toista nuorempi?
Kuvittele kaksoset, joista toinen lähtee avaruuteen, valovuosien päähän, lähes valon nopeudella liikkuvalla raketilla ja toinen jää asustamaan Maan pinnalle. Kun toinen kaksosista palaa vuosien kuluttua takaisin avaruudesta ja kaksoset kohtaavat, huomataan että avaruudesta palannut matkaaja on monta vuotta toista kaksosta nuorempi.
Tätä niin kutsuttua kaksosparadoksia käytetään usein esimerkkinä ajan suhteellisuudesta. Se on ajatusleikki, joka toki on myös totta. Se on matematiikkaa. Mutta se on totta tavalla, jota meidän on vaikea havaita. Kukaan meistä ei voi lentää valovuosien ajan avaruudessa lähes valon nopeudella. Ei lähellekään valon nopeudella.
Suurin nopeus, jolla ihminen on tähän mennessä liikkunut, on 39 897 kilometriä tunnissa. Tähän vauhtiin pääsivät Yhdysvaltain astronautit Apollo 10 -avaruuslennolla toukokuussa 1969. Tai itse asiassa me kaikki liikumme koko ajan huomattavasti suuremmalla nopeudella, kaiken aikaa, joka sekunti. Me emme vain huomaa sitä. Meidän maapallomme nimittäin kiertää Aurinkoa nopeudella, joka on keskimäärin 107 000 kilometriä tunnissa.
Mutta se on vielä mitätön vauhti ajan suhteellisuuteen liittyvissä laskelmissa. Valo kulkee yli kymmenen tuhatta kertaa nopeammin: 1 079 252 848,8 kilometriä tunnissa. Se on suurin nopeus, jolla mikään voi koskaan missään liikkua, sanoi Einstein suhteellisuusteoriassaan.
3. Einstein ja GPS:n salaisuus
GPS eli Global Positioning System on Maata kiertävien satelliittien muodostama paikannusjärjestelmä, joka ei toimisi lainkaan, jos Einsteinin suhteellisuusteoriassaan esittämiä aikaan liittyviä seikkoja ei otettaisi huomioon.
GPS-järjestelmä määrittää sinun paikkasi - tai oikeastaan puhelimesi paikan - siitä ajasta, joka satelliitin lähettämältä signaalilta kestää matkata sinun puhelimeesi. Puhelimesi ottaa vastaan neljän eri satelliitin signaalit ja laskee niiden perusteella sinun sijaintisi, yleensä parin metrin tarkkuudella.
Kuulostaa yksinkertaiselta ja helpolta. Sitä se ei ole. Satelliitit kiertävät Maata yli 20 000:n kilometrin korkeudella. Siellä painovoima on vain noin neljäsosa siitä, mitä se on Maan pinnalla. Tästä johtuen aika kulkee siellä nopeammin kuin Maan pinnalla.
Toisaalta taas satelliitit liikkuvat maapallon ympäri Maan pyörimisliikettä nopeammin, joten siltä osin aika kulkee satelliitissa hitaammin kuin Maan pinnalla. Lopputuloksena satelliitin liikkeestä ja sen sijainnista on 38:n sekunnin miljoonasosan eli mikrosekunnin ero maapallon pinnalla kulkevaan aikaan. Ja jos tätä aikaeroa ei otettasi huomioon GPS-paikannusjärjestelmän laskelmissa, se ilmoittaisi kaikki paikat väärin. Käytännössä koko järjestelmä olisi käyttökelvoton.
4. Me elämme nyt vuotta 4718
Ei, vaan nyt onkin vuosi 1441. Tai sitten vuosi 5780. Kyse ei ole mistään tieteisfiktiosta tai epäonnistuneesta aikamatkailusta, vaan nämä kaikki vuosiluvut ovat nykyisin käytössä tämän maapallon pinnalla.
Nykyään maailmassa on käytössä nelisenkymmentä erilaista kalenteria. Kiinalainen kalenteri antaa vuosiluvuksi 4718 ja islamilainen, niin kutsuttu Hijri-kalenteri kertoo vuosiluvun olevan 1441.
Maailma syntyi 5780 vuotta sitten. Näin kertoo juutalainen perinne, ja tästä maailman luomisen hetkestä alkaa myös niin kutsuttu heprealainen eli juutalainen kalenteri, jonka mukaan elämme nyt vuotta 5780.
Meidän nykyään käyttämämme gregoriaaninen kalenteri on maailmassa yleisimmin käytössä oleva kalenteri. Sen mukaan elämme nyt vuotta 2020.
Tähtitieteilijöiden mukaan maailmankaikkeus syntyi noin 13,8 miljardia vuotta sitten, joten nyt voisi aivan hyvin olla vuosi 13 miljardia 800 miljoonaa kaksi tuhatta kaksikymmentä, mutta se olisi ehkä hieman epäkäytännöllistä.
5. Karkaussekunti aiheuttaa hämmennystä
Oletko kuullut karkaussekunnista? Tiesitkö, että meidän nykyään käyttämäämme niin kutsuttuun koordinoituun yleisaikaan eli UTC:hen lisätään aina silloin tällöin yksi sekunti? Tämä karkaussekunti tai hyppysekunti lisätään kellonaikaan, jotta maapallon pyörimisliikkeen hidastumisesta johtuva epätäsmällisyys korjaantuisi.
Karkaussekunnit otettiin käyttöön vuonna 1972, mutta niitä ei suinkaan lisätä koordinoituun yleisaikaan joka vuosi, vaan ainoastaan tarvittaessa. Tämä johtuu siitä, etteivät maapallon pyörimisnopeuden vaihtelut ole millään tavoin ennustettavissa. Siksi Ranskassa toimiva, maapallon pyörimisliikettä ja sen asentoa avaruudessa seuraava kansainvälinen IERS-organisaatio ilmoittaa kahdesti vuodessa karkaussekunnin kohtalosta.
Viimeksi karkaussekunti lisättiin yleisaikaan vuonna 2016. Teoriassa olisi myös mahdollista tarvittaessa vähentää koordinoidusta yleisajasta sekunti, mutta näin ei ole vielä milloinkaan jouduttu tekemään. Vuoden 2019 loppuun mennessä koordinoituun yleisaikaan oli 47 vuoden aikana lisätty kaikkiaan 27 karkaussekuntia.
Vaikka tämä toiminta jää meiltä kansalaisilta usein huomaamatta, tietokoneet ovat siitä ymmällään. Niiden on sopeuduttava siihen tosiseikkaan, että vuorokauden pituus voi olla 86 399, 86 400 tai 86 401 sekuntia.
Kun karkaussekunti lisättiin yleisaikaan kesäkuussa 2012, useat nettipalvelut kuten Mozilla, LinkedIn ja Reddit lakkasivat tilapäisesti toimimasta. Australialaisen lentoyhtiö Qantasin ja brittiläisen Virginin lähtöselvitysjärjestelmät pimenivät, ja New Yorkin pörssi oli suljettuna 61 minuutin ajan. GPS-järjestelmällä toimivat maatalouskoneet alkoivat liikkua odottamattomasti, sillä sekunnin muutos aiheutti GPS-paikannukseen lähes puolen kilometrin mittaisen virheen.
6. Historian pisin sävellys kestää 1000 vuotta, suunnilleen
Brittiläinen säveltäjä Jim Finer on säveltänyt teoksen nimeltä Longplayer, jonka esittäminen kestää noin tuhat vuotta. Noin tuhat, siksi että edes tietokone ei ole pystynyt antamaan täsmällistä arviota sävellyksen lopullisesta kestosta. Sävellykseen nimittäin toteuttaa algoritmi, joka varioi noin 20 minuutin mittaista nuottijonoa näennäisesti loputtomiin. Arvioiden mukaan kaikki mahdolliset variaatiot on kuultu noin tuhannen vuoden kuluttua.
Sävellystä ei kuitenkaan esitetä tietokoneella, vaan tietokoneen ohjaamilla puukapuloilla, jotka soittavat 234:ää erilaista metallista esinettä. Säveltäjä on kuitenkin antanut mahdollisuuden esittää teosta myös kaikilla mahdollisilla soittimilla ja laitteilla, joita ei sävellyksen valmistuessa ollut vielä edes keksitty.
Sävellyksen esittäminen alkoi vuosituhannen vaihtuessa, tammikuun ensimmäisenä päivänä vuonna 2000, ja sen on tarkoitus loppua joulukuun viimeisenä päivänä vuonna 2999. Sen jälkeen sävellys alkaa uudelleen alusta.
7. Aikamatkustus on yksinkertainen juttu, periaatteessa
Kirjassaan Todellisuuden rakenne fysiikan professori David Deutsch vakuuttaa, ettei aikamatkustuksessa ole mitään ihmeellistä. Se on aivan looginen ja luonnollinen asia. Meillä on neljä ulottuvuutta, joista neljäs on aika. Ja aivan kuten me voimme kolmessa ulottuvuudessa matkustaa paikasta toiseen, me voimme neljännessä ulottuvuudessa matkustaa ajasta toiseen. Ei se sen kummallisempaa ole.
Ja todellakin, Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ei mitenkään kiellä ajassa matkustamista. Tulevaisuuteen matkustaminen on teoriassa hyvin helppoa. Kun matkustajan nopeus lähenee valon nopeutta, alkaa aika käyttäytyä kummallisesti. Jos matkustat 99,9:n prosentin valon nopeudella avaruudessa ja olet matkallasi puolisen vuotta, on maapallon pinnalla kulunut tuona aikana satakaksikymmentä vuotta. Eli jos olet lähtenyt matkaan tammikuussa 2020 ja palaat saman vuoden heinäkuussa, eletään maapallolla jo vuotta 2140. Olet matkustanut tulevaisuuteen.
Einsteinin teoriat sallivat matkat myös menneisyyteen. Näin toteaa teoreettinen fyysikko Jim Al-Khalili kirjassaan Mustia aukkoja, madonreikiä ja aikakoneita, ja muistuttaa, että tämän huomasi jo matemaatikko Kurt Gödel vuonna 1949.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan massa taivuttaa aika-avaruutta, ja kun massa on tarpeeksi suuri, kuten esimerkiksi mustan aukon massa, se voi tehdä aika-avaruuteen reiän, niin kutsutun madonreiän, jota pitkin olisi mahdollista matkustaa ajasta ja paikasta toiseen.
8. Aikamatkustaja, ole varovainen!
Ajassa matkustaminen tarjoaa ihmiskunnalle uusia, ennen kokemattomia mahdollisuuksia. Mutta ajassa liikkuessa pitää olla tarkkana, ettei tule tehneeksi mitään peruuttamatonta. Tarkoitan: korvaamattomia ja kohtalokkaita tyhmyyksiä.
Jos matkustat menneisyyteen, älä esimerkiksi vahingossakaan estä omia vanhempiasi tai isovanhempiasi tapaamasta toisiaan. Koska jos isovanhempasi eivät olisi milloinkaan tavanneet, ei vanhempiasi myöskään olisi olemassa, etkä sinä voisi olla olemassa.
Tiedemiehet puhuvat isoisäparadoksista. Jos matkustat menneisyyteen ja tapat oman isoisäsi, seuraa siitä se, että sinä et synny, sinua ei ole olemassa. Näin ollen et voi matkustaa menneisyyteen, etkä tappaa isoisääsi. Joten isoisäsi ei kuolekaan, ja sinä synnyt hänen lapsenlapsekseen. Ja näin ollen voitkin tehdä aikamatkan menneisyyteen ja tappaa isoisäsi, jolloin sinä et synnykään ja niin edelleen.
Tai voi käydä kuten Red Alert -tietokonepelien sarjassa. Tarina alkaa, kun itse Albert Einstein rakentaa aikakoneen ja päättää hieman muuttaa historiaa. Hän matkustaa vuoteen 1924 ja tappaa 35-vuotiaan Adolf Hitlerin. Näin Hitler ei milloinkaan nouse valtakunnankansleriksi eikä Saksan kansallissosialistinen työväenpuolue saavuta hallitsevaa asemaa. Natsit eivät milloinkaan pääse valtaan. Ihmiskunta säästyy toiselta maailmansodalta ja holokaustilta.
Mutta historia on oikukas. Ilman sotaisaa Saksaa Neuvostoliitto kasvaa Josif Stalinin johdolla voimakkaaksi suurvallaksi, joka valloittaa Kiinan ja hyökkää Eurooppaan. Euroopan valtiot liittoutuvat hätäisesti ja alkavat puolustautua Neuvostoliittoa vastaan. Syttyy suuri sota. Historiaa ei siis kannata yrittää muuttaa.
9. Kaipaatko nopeampaa elämää: osta kvanttitietokone!
Nykyinen elämämme tai ainakin sen tietyt piirteet vaativat nopeutta. Sosiaalinen media vaatii nopeutta. Nettisurffailu vaatii nopeutta. Nettiostokset vaativat nopeutta. Uutisvälitys vaatii nopeutta. Pörssit vaativat nopeutta. Maailmantalous vaatii nopeutta.
Marraskuussa 2019 uutisoitiin maailmanlaajuisesti, kuinka kvanttitietokone laski kolmessa minuutissa kahdessa kymmenessä sekunnissa laskutehtävän, johon nykyiseltä tavalliselta supertietokoneelta olisi kulunut kymmenen tuhatta vuotta.
Tämä kuulostaa arkijärjen vastaiselta. Nopeutta on vaikea käsittää. Kymmenen tuhatta vuotta vaativa työ alle kolmessa ja puolessa minuutissa. Kvanttitietokoneen ongelmana sanotaan vielä olevan sen, että sen tärkeimmät osat, niin kutsutut suprajohtavat kubitit, pysyvät toimintakykyisinä alle sekunnin tuhannesosan.
Luulisi, ettei niin lyhyessä ajassa ehdi tapahtua mitään, mutta tutkijat kertovat, että siinä ajassa kone ehtii tehdä jo kymmeniätuhansia laskutoimituksia. Alle sekunnin tuhannesosassa. Sanoinko jo, että tässä kaikessa on jotakin arkijärjen vastaista?
Tulevaisuus edellyttää nopeutta, yhä kasvavaa nopeutta. Intel, IBM ja Google kehittävät kilpaa kvanttitietokonetta. Tammikuussa 2019 IBM esitteli ensimmäisen kaupallisen kvanttitietokoneensa, System Onen. Syyskuussa 2019 Googlen kehittämä Sycamore-kvanttitietokone suoritti edellä kerrotun kolmen minuutin kahdenkymmenen sekunnin urotyönsä.
Google on kehittänyt kvanttitietokonettaan yhdessä Yhdysvaltain avaruushallintovirasto NASA:n kanssa. Tietokoneen saavutuksesta kertovan raportin luonnos julkaistiin syyskuussa 2019 NASA:n verkkosivuilla. Tämä tapahtui ilmeisesti vahingossa, sillä uutinen poistettiin sivuilta nopeasti, ilman mitään selityksiä.
Mutta koska Internet on Internet, asia oli julkinen tuota pikaa, ja lokakuussa 2019 Googlen oli pakko tunnustaa: kyllä, se kaikki tapahtui kahdessa sadassa sekunnissa. Kymmenen tuhannen vuoden työ.
10. Aika ei ole ikuista, se voi päättyä joskus
Olisi jotenkin itsestään selvää ja helppoa ajatella, että aika on ikuista, että se on aina ollut olemassa ja tulee aina olemaan, tapahtui mitä tapahtui. Mutta ei. Aika syntyi alkuräjähdyksessä noin 13,8 miljardia vuotta sitten. Tätä mieltä ovat olleet monet tiedemiehet, kuten professori Stephen Hawking.
Kirjassaan Ajan lyhyt historia hän kuvaa alkuräjähdyksen hetkeä ja toteaa, ettei meillä voi olla mitään tietoa alkuräjähdystä edeltäneestä tilanteesta, koska meidän tuntemamme maailmankaikkeus kaikkine luonnonlakeineen syntyi vasta tuolloin. Ja tuolloin syntyi myös aika, sanoo Hawking.
Aika alkoi alkuräjähdyksestä. Hawking muistuttaa lukijaa, että tämä määritelmä ajan syntymisestä, ajan alkamisesta, poikkeaa täysin kaikista aikaisemmista käsityksistä.
Aika siis on joskus alkanut. Tarkoittaako tämä myös sitä, että aika loppuu joskus? Että koittaa aika, jolloin ei enää ole aikaa? Maailmankaikkeus siis syntyi alkuräjähdyksessä ja on sen jälkeen laajentunut yhä kiihtyvällä vauhdilla. Mutta koska maailmankaikkeuden lämpötila laskee sen laajentuessa, seuraa ennen pitkää tilanne, jossa kaikki tähdet sammuvat ja päätyvät lopulta mustiin aukkoihin, jotka nekin höyrystyvät maailmankaikkeuden harvenevaan ja kylmenevään tyhjyyteen.
Tähtitieteilijät puhuvat maailmankaikkeuden lämpökuolemasta. He sanovat, että maailmankaikkeuden loppu on jäätävän kylmä ja hiljainen. Universumi laajenee ja viilenee, kunnes lopulta on jäljellä vain harvaa kaasua. Tuo kaasu jäähtyy jäähtymistään, kunnes jäljellä on enää yhä kylmenevää säteilyä, tai kuten dosentti Raimo Keskinen kirjoittaa artikkelissaan Fyysikon aika: olevaisen täyttää absoluuttista nollapistettä lähestyvä lämpösäteily.
Maailmankaikkeuden kaikki aine on nyt säteilyä, joka jäähtyy kohti absoluuttista nollapistettä. Maailmankaikkeus on ääretön, kylmä, tyhjä ja eloton. Aikaa ei enää ole.
Universumin kokoiset kiitokset aikaa käsittelevän sarjan alkuideasta, keskusteluista ja yhteistyöstä toimittaja Joonas Josefssonille, sekä materiaalin hankinnasta ja avunannosta arkistotoimittaja Petri Ikoselle. Ilman teitä aika olisi ollut erilaista.
