Niin kauan kuin Homo Sapiens on ollut olemassa, aika on hänelle ollut absoluuttinen. Se on tuntunut olevan kaikille sama. Sen kalenterina ovat toimineet ihmisestä riippumaton Kuun ja Auringon kierto sekä vuodenaikojen vaihtelut. Käytännön kannalta nykyisellä tarkkuuskellojen aikakaudellakin aika on edelleen ulkopuolelta annettua kuin jokin muuttumaton taivainen vaarinkello koko ajan mittaisi sekuntien lyönnit.
Aika on meille kaikille tuttu ja luontainen kuin ilma, jota hengitämme. Mutta päinvastoin kuin ilmaa, aikaa ei voi tarkkailla. Se kuluu mutta emme osaa sanoa, mikä silloin kuluu. Aikaa ei voi tutkia mikroskoopilla eikä sillä voi suorittaa kokeita. Selvästikin aika on jotakin, joka pitää määritellä pikemmin kuin havaita.
Aika näyttäytyy meille muutoksen kautta. Se ilmenee vaikkapa Kuun kiertoliikkeessä Maan ympäri, ja täten aika liittyy avaruuteen. Aika määritellään kappaleiden avaruudellisten sijaintien avulla, ja siksi nopeudeksi kutsumamme suure liittyy nimenomaan ajan olemukseen. Voimme sanoa, että aikaa mitataan liikkeellä, tai että aika ilmenee meille liikkeen kautta.
Kun Newton saattoi loppuun aristoteelisen tutkimusohjelman liikkeen olemuksesta, jota keskiajan parhaat aivot olivat turhaan pohtineet, hän teki sen muutaman yksinkertaisen matemaattisen lain avulla. Newtonin suuri oivallus oli, että kappaleet putoavat kohti Maan pintaa samasta syystä kuin planeetat kiertävät Aurinkoa. Massiiviset kappaleet vetävät toisiaan puoleensa, joten planeettaradat eivät ole skolastikkojen "luonnollista" liikettä vaan dynaaminen ominaisuus, joka aiheutuu gravitaatiovoimasta. Kun mitään voimaa ei ole, jäljelle jää puhdas kinematiikka, kappaleiden tapa liikkua avaruudessa. Newton esitti, että tällöin ne jatkavat liikettään suoraviivaisesti ja ikuisesti, muuttumattomina ja koskaan pysähtymättä. Niiden kohdalla aika ei lopu milloinkaan, sillä Newton käsitti ajan ja avaruuden absoluuttisiksi. Toisin sanoen, hänen mukaansa on olemassa maailmanorigo, jonka suhteen liike on "oikeaa" pikemmin kuin suhteellista, kuten esimerkiksi Newtonin ajan fregatin kannella kävelevä matruusi liikkuu muutaman sekuntimetrin nopeudella vain suhteessa isomastoon. Matruusi liikkuu, laiva liikkuu ja maapallo liikkuu radallaan, mutta jossakin on piste, joka ei liiku: absoluuttisen avaruuden nollapiste.
Samaan tapaan Newtonin mekaniikassa on olemassa myös kosminen kronometri, ajan absoluuttinen mittari, jonka suhteen niin matruusin kuin maapallonkin nopeus voidaan periaatteessa kalibroida.
1800-luvun alkuvuosikymmeninä englantilainen Michael Faraday oli kokeellisissa tutkimuksissaan todennut, että liikkuva magneetti aiheutti viereiseen johtimeen sähkövirran. Sähkö ja magnetismi siis liittyvät toisiinsa. Mutta myös liikkeen, ja sitä kautta ajan ja avaruuden, nähtiin jollakin lailla nivoutuneen sähköön ja magnetismiin. Johtimen suhteen paikallaan pysyvä magnetti ei nimittäin saa aikaan sähkövirtaa. Tämä osoittautui tärkeäksi vihjeeksi ajan olemuksen selvittelylle.
Eräs tärkeä kysymys oli, miten nopeasti sähkö kulki. Ensimmäisen varteenotettavan kokeen teki jo vuonna 1746 muuan Abbe Jean-Antoine Noellet kahdensadan kartusiaanimunkin avutuksella. Tuohon aikaan paristoa ei vielä oltu keksitty, mutta sähköpurkauksia pystyttiin tuottamaan. Jokainen munkki pantiin kannattelemaan kahdeksanmetristä rautajohtoa, joka liitettiin naapurimunkkien johtoihin. Näin syntyi puolentoista kilometrin johdin, jonka päästä sähköimpulssi sysättiin liikkeeseen. Sen jälkeen Abben oli enää tarkkailtava, kuinka nopeasti munkit saivat sähköiskun. Tulos oli: käytännössä samanaikaisesti. Sähkön nopeus näytti siis olevan liki ääretön.
Faradayn havainnoista kävi ilmi, että sekä sähkö että magnetismi ovat avaruuteen levittäytyneitä voimakenttiä. Vuonna 1873 skotlantilainen James Clerk Maxwell pystyi muotoilemaan sähkön ja magnetismin matemaattisen teorian muotoon, jossa se tänäkin päivänä tunnetaan. Samalla hän tuli osoittaneeksi, että sähkömagneettisen kentän häiriö eli sähkömagneettinen säteily etenee täsmälleen valon nopeudella ja että täten myös itse valo on eräs sähkömagneettinen ilmiö.
Vaikka Maxwellin Treatise on Electricity and Magnetism oli sekava ja vaikealukuinen, 1900-luvun alkaessa Maxwellin ennustamat sähkömagneettiset aallot oli havaittu, ja teoria oli jo yleisesti hyväksytty. Maxwellin yhtälöiden merkitystä ajan käsitteelle ei kuitenkaan oltu ymmärretty ennen kuin Einstein vuonna 1905 julkaisi käänteentekevän artikkelinsa Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Siinä Einstein kiinnitti huomion tosiseikkaan, että Maxwellin yhtälöt riippuvat pelkästään sähkö- ja magneettikenttien välisistä suhteellisista nopeuksista. Päinvastoin kuin Newtonin mekaniikka, joka oletti absoluuttisen avaruuden ja sitä kautta absoluuttisen liikkeen, Maxwellin teoria tuntee vain suhteellisen liikkeen. Einstein alkaakin artikkelinsa seuraavin sanoin:
"On tunnettua, että kun Maxwellin elektrodynamiikkaa - kuten se tavallisesti ymmärretään tällä hetkellä - sovelletaan liikkuviin kappaleisiin, joudutaan epäsymmetrioihin, jotka eivät näytä olevan ilmiöille luontaisia."
Jos magneetti on levossa ja johdin liikkuu sen suhteen, Newtonin mukaan kyseessä pitäisi olla eri asia kuin jos johdin on levossa ja magneetti liikkuu sen suhteen. Absoluuttisessa avaruudessa voi näet aina sanoa, kuka tai mikä on todellisessa liikkeessä. Mutta tällaista absoluuttista nopeutta Maxwellin yhtälöt eivät tunnusta. Niinpä Einstein päätteli:
"Tämän kaltaiset esimerkit, kun otetaan myös huomioon epäonnistuneet yritykset löytää minkäänlaista liikettä Maan ja 'valon väliaineen' välillä, viittaavat siihen, että sekä elektrodynamiikan että mekaniikan ilmiöillä ei ole minkäänlaisia ominaisuuksia, jotka liittyisivät absoluuttisen levon ideaan."
Tämä ohimenevä viittaus "valon väliaineeseen" on Einsteinin ainoa eetteriin liittyvä huomautus teoriansa perusteluissa. Maxwell itse, kuten hänen seuraajansakin, olivat kuvitelleet, että aaltoliikkeenä sähkömagnetismi olisi jonkin väliaineen aaltoilua. Meren tyrskyt ovat veden aaltoilua, ääni on ilmassa kulkevaa aaltoilua, ja valo ja radioaallot siis salaperäisessä eetterissä etenevää aaltoilua. Michelsonin-Morleyn kuulu eetterikoe vuodelta 1887 ei kuitenkaan havainnut minkäänlaista eetterituulta, jonka olisi tullut ilmetä valon nopeuden vaihteluna sen mukaan lähetettiinkö valonsäde maapallon kulkusuuntaan vai ei.
Michelsonin-Morleyn koetta on jälkikäteen usein kaunistellen markkinoitu suhteellisuusteorian motivaatioksi, mutta on selvää, että Einsteinille se ei ollut tärkeä. Einsteinille riitti usko Maxwellin yhtälöihin, joiden Einstein ehdotti olevan voimassa olipa havaitsijan liiketila mikä tahansa. Koska yhtälöissä esiintyi valon nopeus yhtenä parametrina, oletuksesta seurasi radikaali johtopäätös: valon nopeus olisi sama kaikille havaitsijoille. Tämä tarkoitti samalla sitä, että valon nopeutta ei voi millään saavuttaa. Valoa ei saa kiinni, sillä ratsastamalla valonsäteellä sen näkisi vastoin lähtöoletusta levossa.
Hinta, jonka Einstein joutui maksamaan, oli kova: sekä absoluuttisesta avaruudesta että ajasta täytyi luopua. Koko ajan käsite piti määritellä uudelleen. Valon nopeus voi olla liiketilasta riippumatta sama kaikille, mutta vain jos kellojen käynti on riippuu liiketilasta. Nämä ilmiöt näkyvät tosin käytännössä vasta kun suhteelliset nopeudet ovat hyvin suuria, lähellä valon nopeutta, joka on noin kolmesataa tuhatta kilometriä sekunnissa. Alkeishiukkasten maailmaa lukuunottamatta sellaisia nopeuksia ei luonnossa esiinny.
Einsteinin Maxwellin yhtälöiden kanssa yhteensopivaksi muotoilema kinematiikka tunnetaan luonnollisesti suppeampana suhteellisuusteoriana. Se käsittelee suoraviivaista, vakionopeudella tapahtuvaa liikettä, johon minkäänlaiset voimat eivät vaikuta. Suppeampi suhteellisuusteoria hylkää absoluuttisen ajan ja avaruuden käsitteet ja kertoo, miten kahden eri liiketilassa olevan havaitsijan kellojen vertailu tapahtuu. Matemaattisesti hyppyä yhdestä koordinaattisysteemistä toiseen, suhteellisella vakionopeudella liikkuvaan systeemiin kutsutaan Lorentzin muunnokseksi.
Suhteellisuusteoriassa ajan ja avaruuden määritelmät todellakin sekoittuvat. Kellojen käynti riippuu sen mukaan liiketilasta, ja jokaisella havaitsijalla on oma paikallinen aikansa. Liikkuvassa koordinaatistossa kellot käyvät hitaammin, mutta liike on vain suhteellista. Esimerkiksi sopii vaikkapa Maasta tähtiin lähetetty avaruusraketti. Vaikka maapallolle jääneen tarkkailijan mielestä raketissa poispäin kiitävän astronautin kello käy hitaammin, raketissaan astronautti on mielestään levossa; hänen mielestään hän on paikoillaan ja Maa liikkuu. Siksi hän laskeskelee, että kellot Maassa käyvät hitaammin. Paradoksaalista tässä tilanteessa on se, että molemmat ovat oikeassa. Vasta kun astronautti ja Maahan jäänyt matkahaluton ystävä pääsevät vertailemaan kellojaan samassa pisteessä - eli kun astronautti palaa Maahan - he näkevät, kenen kello todella on jätättänyt .
Koska kellojen käynti riippuu liiketilasta, suhteellisuusteoriassa kysymys tapahtumien kausaalisuhteen invarianssista nousee tärkeäksi. Voisiko olla mahdollista, että jossakin koordinaatistossa seuraus edeltää syytä, esimerkiksi Sarajevon laukaukset ammuttiin vasta kun ensimmäinen maailmansota oli jo syttynyt? Tämä tietenkin tuntuu järjettömältä, ja voidaankin osoittaa, että kausaalisuhde ei rikkoudu jos valon nopeus on informaatiota kuljettavan signaalinopeuden ehdoton yläraja.
Vaikka suhteellisuusteoria voi tuntua järjenvastaiselta, sen ennustamat ilmiöt on monin tavoin testattu ja hyviksi havaittu. Kvanttielektrodynamiikka, koko fysiikan kaikkein tarkin teoria, sisältää suppeamman suhteellisuusteorian ja siksi sen jopa yhdentoista merkitsevän numeron tarkkuudella antamat oikeat ennusteet osoittavat myös suhteellisuusteorian oikeellisuutta. Hiukkaskiihdyttimissä lähellä valon nopeutta matkaavat alkeishiukkaset eivät edes pysyisi kiihdytinputkissa ellei niiden kulkua korjattaisi suhteellisuusteorian kaavojen avulla.
Suppeammassa suhteellisuusteoriassa Einstein rajoittui tarkastelemaan tasaista, suoraviivaista liikettä. Yleinen suhteellisuusteoria on nimensä mukaan yleistys tapaukseen, jossa havaitsijoiden välinen liike ei ole tasaista ja suoraviivaista vaan kappaleiden liikkeisiin vaikuttaa voimia ja erityisesti painovoima . Tehtävä oli vaikea, ja Einsteinilta kului yli kymmenen vuotta ennen kuin uusi teoria oli valmis. Tällä kertaa Einsteinia ei ohjannut toinen, koeteltu teoria tai havainnot vaan matemattinen kauneus. Sen lisäksi, istuessaan työpaikallaan Bernin patenttitoimistossa vuonna 1907, hän oli saanut ajatuksen jota myöhemmin nimitti elämänsä onnellisemmaksi: jos henkilö putoaa vapaasti painovoimakentässä, hän ei tunne omaa painoaan. Tästä hän päätteli, että gravitaatiovoima on näennäisvoima, joka johtuu koordinaatiston valinnasta.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan liike on "oikeasti" koko ajan suoraviivaista, mutta massa(energia) käyristää avaruutta. Esimerkiksi Aurinko painaa avaruuden kudelman ikään kuin kuopalle niin, että tasaisen koordinaatiston silmälaseja käyttävä havaitsija näkee poikkeaman suoraviivaisesta liikkeestä, jonka oitis tulkitsee voimaksi. Mutta todellisuudessa voimaa ei siis ole olemassakaan.
Yleinen suhteellisuusteoria toi uuden ainesosan ajan käsitteeseen. Suppeamman suhteellisuusteorian aika oli suhteellista: jokaisella havaitsijalla on oma aikansa, joka riippuu suhteellisesta liikkeestä. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika on myös paikallista. Koska aika ja avaruus ovat naimisissa keskenään, avaruuden käyristyminen vaikuttaa myös kellojen käyntiin. Näin suhteellinen aika muuttuu sen mukaan, millaisessa gravitaatiokentässä havaitsija liikkuu.
Kaiken lisäksi yleinen suhteellisuusteoria ennustaa myös singulariteettien olemassaolon. Nämä ovat avaruusajan pisteitä, joissa sekä aika että avaruus loppuvat. Eräs esimerkki on musta aukko, jollainen voi syntyä riittävän massiivisen tähden luhistuessa kasaan. Tuolloin aine ei voi vastustaan gravitaatiovoimaa vaan romahtaa yhdeksi matemaattiseksi pisteeksi. Alkuräjähdysteorian mukaan koko maailmankaikkeus sai alkunsa singulariteetista, ja 1970-luvulla brittimatemaatikko Roger Penrose ja fyysikko Stephen Hawking osoittivat matemaattisesti, että suhteellisuusteoreettisen maailmankaikkeuden ratkaisut sisältävät aina singulariteetin.
Mustaa aukkoa ympäröi tapahtumahorisontti, jonka etäisyys singulariteetista on verrannollinen mustan aukon massaan. Tapahtumahorisontin sisäpuolelta ei edes valo pysty pakenemaan mustan aukon vetovoimaa vaan putoaa sinne äärellisessä ajassa. Tapahtumahorisontin sisällä siis kaikki liike vie pisteeseen, jossa aika loppuu. Mutta ajan paikallisuus näkyy tavassa, jolla kaukainen havaitsija näkee astronautin putoavan mustaan aukkoon. Kaukaa (matemaatisesti äärettömyydestä) katsottuna näytää siltä, että astronautti ei putoa tapahtumahorisontin lävitse milloinkaan. Kaukaisen tarkkailijan mielestä tapahtumahorisonttia kohti putoavan astronautin kello käy hitaammin ja hitaammin (vaikka hänen nopeutensa ei mainittavasti lisäännykään), ja siksi hän näkee mustan aukon tapahtumahorisontissa alati hidastuvan elokuvan, jossa näyttelevät kaikki, jotka milloinkaan ovat aukkoon pudonneet. Tapahtumahorisontista lähetettyjen fotonien kipuaminen gravitaatiokaivosta näyttää kestävän äärettömän kauan, ja samalla niiden aallonpituus punasiirtyy kohti ääretöntä.
Alkuräjähdys on ikään kuin mustaan aukkoon putoamisen käänteinen tapahtuma. Sitä ennen ei ole olemassa aikaa eikä avaruutta. Alkuräjähdys ei siis tapahtunut jossakin newtonilaisessa tyhjässä tilassa maailmankellon lyödessä hetkeä nolla .
Suhteellisuusteorian käsitys ajasta on siis intuition vastainen. Kellojen käynti on suhteellista, ja avaruudessa on olemassa paikkoja, joissa kellot käyvät hyvin hitaasti; jopa paikkoja, joissa aika loppuu kokonaan. Mutta teoriassa, joka ottaa huomioon myös kvantti-ilmiöt, tilanne voi muuttua vieläkin kummallisemmaksi.
Tällaista teoriaa kutsutaan kvanttigravitaatioksi tai Kaiken teoriaksi, ja monet fyysikot uskovat, että yleistä suhteellisuusteoriaa täytyy modifioida kun hiukkasten energiat käyvät hyvin suuriksi tai kun avaruusaikaa katsotaan hyvin pienissä, noin Planckin pituuden 10-35 m tai Planckin ajan 10-43 s skaaloissa. Kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhteensovittaminen on kuitenkin osoittautunut matemaattisesti tavattoman haastavaksi ongelmaksi, eikä yleisesti hyväksyttyä Kaiken teoriaa vielä ole olemassa. Toistaiseksi paras kandidaatti ovat säieteoriat, jotka olettavat alkeishiukkaset Planckin kokoluokan suuruisiksi lankamaisiksi säikeiksi (jotka voivat olla avoimia tai suljettuja kuten kumilenkki). Säieteoriat edellyttävät lisäksi kuusi ylimääräistä avaruusulottuvuutta, joiden ajatellaan käpertyneen kokoon ("kompaktifioituneen") mikroskooppisen pienissä kokoskaaloissa niin, että ne näkyvät vain äärimmäisen suurienergisissä hiukkastörmäyksissä .
Olipa gravitaation kvanttiteoria millainen tahansa, on luultavaa, että se tuo mukanaan Heisenbergin epätarkkuusperiaatetta vastaavaan kvanttiepämääräisyyden myös aikaan ja avaruuteen. Kvanttimekaniikassa hiukkaset eivät ole pistemäisiä vaan niillä on tietty aikaan ja avaruuteen levinnyt todennäköisyysjakauma. Gravitaation kvanttiteoriassa tämän epämääräisyyden tulisi näkyä avaruusajan ominaisuuksissa siten, että Planckin pituutta ja aikaa vastaavissa skaaloissa avaruus ja aika käyvät sumeiksi. On kuin kellojen käynti alkaisi vaihdella villisti ja arvaamattomasti eikä enää ole lainkaan selvää, mikä on "ennen" ja mikä "jälkeen". On todennäköistä -vaikka tämä tietysti on vielä pelkkää spekulaatiota - että syyn ja seurauksen välinen suhde rikkoutuu Planckin skaalassa.
Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan ajallinen tarkkuus, aikaresoluutio, on sitä parempi mitä suuremmalla energialla tapahtumia luodataan. Vastaava ilmiö näkyy tavallisessa mikroskoopissa: mitä pienempi valon aallonpituus, eli mitä suurempi fotonin energia, sitä pienempiä yksityiskohtia voidaan havaita. Säieteorioissa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen uskotaan kuitenkin muuttuvan siten, että energian lisääminen ei lopulta enää lisääkään aikaresoluutiota. Ajan epätarkkuus kyllä pienenee aluksi aina Planckin ajan suuruiseksi, mutta sen jälkeen epätarkkuus alkaa jälleen kasvaa energiaan verrannollisena. Tämän mukaisesti Planckin aika olisi pienin kuviteltavissa oleva aikaintervalli. Planckin aikaa ja pituutta pienemmissä skaaloissa avaruusaika yksinkertaisesti katoaisi pois. Täten on mahdollista, että aika on vain suuren kokoskaalan emergentti ilmiö, jota ei fysikaalisen maailman kaikkein perustavimmassa kuvailussa ole lainkaan olemassa.
Kirjallisuutta: