Lomajutuista kirjoittelu päättyi syksyllä vanhan läppärin hajoamiseen (sinne jäivät lomakuvat).
Nyt olisi kuitenkin tarkoitus yrittää jatkaa kirjoittelua hiukan tasaisemmassa tahdissa. Haasteena itselleni päätän kirjoittaa pieniä 'populaariartikkeleita', yhden jokaista aakkosten kirjainta kohti. Aiheena teksteille ovat (yllätys) modernin luonnontieteiden osa-alueet. Aloituskirjaimena A aionkin alustaa ajatuksia aiheesta arvoituksellinen aika-avaruus.
Ajan lyhyt historia
Ennen 1900-luvun alkua ajateltiin ajan on absoluuttista. Tämä tarkoittaa sitä, että aika kulkee samaan tahtiin kaikille ja kaikkialla. Ajan absoluuttisuus on arkioloissa luonnollinen havainto, ehjät kellot tapaavat käydä samaan tahtiin ulkoisista olosuhteista riippumatta.
Oletus ajan samanlaisuudesta kaikille 'havaitsijoille' (kuten fyysikkoslangi sanoo) johti luonnontieteilijät pulmiin 1800-luvulla: vanhat ajatukset eivät toimineetkaan uusien ideoiden kanssa. Maxwellin upouusi sähkömagnetismin teoria selitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, joka etenee noin 300 000 kilometriä sekunnissa (noin 7.5 kertaa Maapallon ympäri siis). Kysymys kuuluikin: minkä suhteen tämä nopeus mitataan?
Pulmia ilmenee
Tilanteen selventämikseksi kuvitellaan seuraava tilanne: paperilennokin heitto liikkuvassa junanvaunussa. Vaunussa istuvan heittäjän mielestä lennokki lentää varsin hitaasti, vain joitakin metrejä sekunnissa. Junanradan vierellä istuskeleva veikkonen huomaa kuitenkin ohiajavan Pendolinon ikkunasta vilahtavan liidokin etenevät huomattavan suurella nopeudella. Kumpi nopeus on sitten 'se oikea'? Vastaus kuuluu tietenkin: molemmat. Lennokin nopeus riippuu katsojan näkökulmasta. Näkökulman vaihtoa vaunun matkustamon ja radanvarren välillä kutsutaan Galilein muunnokseksi (matemaattisesti tämä on siis paikkamuunnos).
Valon tapauksessa tilanne on kimurantimpi: paikkamuunnos ei toimikaan! Jos Galilein paikkamuunnosta soveltaa valoon, sen aaltomuoto ei toteudu. Esimerkiksi: vain paikallaan seisomalla voisi nähdä läheisen katulampun. Aina liikuttaessa johonkin suuntaan valo katoaisi. Tämä on ongelmallista niin arkikokemuksen kuin matematiikankin kannalta.
 |
| Mitä muuta aika on kuin kelloja? |
Neljäs ulottuvuus
1900-luvun alussa Lorentz ja Einstein kehittivät uuden muunnoksen, joka ratkaisi valon etenemiseen ja nopeuteen liittyvät kysymykset. Valon nopeus on aina sama omasta liikkeestä riippumatta, ja paikkamuunnoksen lisäksi tarvitaan aikamuunnos. Kuuluisassa Lorentzin mukaan nimetyssä muunnoksessa aika ajatellaan uudeksi ulottuvuudeksi pituuden, leveyden ja korkeuden lisäksi. Erilliset 'aika' ja 'suunta' (avaruus) yhdistyvät neliulotteiseksi aika-avaruudeksi. Kaiken kukkuraksi aika ei olekaan enää sama kaikille, vaan riippuu siitä, millä nopeudella liikutaan. Aika on siis suhteellista. Tätä kutsutaan suppeaksi suhteellisuusteoriaksi. Suuri osa tämän jälkeen keksitystä fysiikasta ja teknologiasta perustuu tästä merkittävästä löydöstä syntyneisiin ideoihin.
Ajan hidastuminen
Elokuvista ja kirjallisuudesta (Interstellar, Jäänpuskijat) lienee monelle tuttua, että lennettäessä scifiraketilla lähellä valon nopeutta aluksen matkustajien aika kuluu hitaammin kuin Maahan jääneiden aika. Tämä uskomattoman kuuloinen ilmiö on myös mitattu pienillä nopeuksilla matkustajalentokoneita käyttäen. Lennättämällä tarkkaa kelloa, esimerkiksi atomikelloa, maailman ympäri havaitaan, että liikkuneessa kellossa aikaa on kulunut hiukan vähemmän kuin paikallaan lentokentällä ollessa. Ero on tietenkin pieni (sekunnin tuhannesosan murto-osa, ei vuosia kuten elokuvissa) lentokoneen hitaasta nopeudesta johtuen.
Suuren nopeuden lisäksi massiivisen kappaleen painovoimakentässä oleilu hidastaa aikaa muihin verrattuna. Tämäkin on mitattu laboratoriossa, tosin mihinkään Interstellar-elokuvan tapaisiin aikahidastumiin ei Maapallon pienellä massalla päästä.
Tulevaisuuden rakettimatkustajalle ajan hidastuminen suhteessa Maapalloon ei tuo kuitenkaan pitkää ikää. Idea piilee siinä, että aika kulkee hitaammin ainoastaan suhteessa muihin. Nopeasti kiitävä matkalainen ei tuntisi mitään outoa suurissakaan nopeuksissa. Toisaalta lähellä valonnopeutta lentäminen on tavallaan yksisuuntainen matka tulevaisuuteen: matkalaisen kymmenen vuoden avaruuslenkki lähitähden ympäri kestääkin paljon kauemmin Maapallolla odottelevien mielestä. Riippuen raketin nopeudesta, Maassa voi kulua huomattavasti pidempikin aika kuin vuosikymmen: astronautti lähtee kotoa vaikkapa vuonna 2200. Omasta mielestään Alpha Centaurin kiertämiseen kuluu astronautin mielestä 10 vuotta. Kotiinpaluupäivänä kalenteri näyttääkin vuotta 2320. Tätä kutsutaan 'aikadilataatioksi'.
Ero ihmisen kokemukseen
Ihminen kokee ajan tietoisena nykyhetkenä, elämme aina tässä ja nyt, vaikka aika kulkee eteenpäin. Muistin avulla osaamme ajatella mennisyyttä. Ajettelemalla voimme aavistella tulevia tapahtumia. Aika määritetään kokemuksen perustella eri tapahtumien suhteen (havainnot ympäristöstä, kellon käyminen jne). Koska elämme pienissä nopeuksissa ja painovoimakentässä, aika kulkee ihmiselle erittäin lähellä tasaista nopeutta. Tylsyys tai hauskanpito tuntuvat muuttavan kokemamme ajan nopeutta, mutta tämä on puhtaasti psykologinen ilmiö. Modernin fysiikan aikakäsitys ja ihmisen henkilökohtainen käsitys ajasta liittyvät siis mielenkiintoisilla tavalla toisiinsa.
Alle piirtelin Paintilla ajatusta havainnollistavan kuvan. Huomattavaa on erityisesti nykyhetki ja menneisyyden ja tulevaisuuden ero. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että ihminen olisi jotenkin luonnonlaeista irrallinen olento, me vain koemme ajan erilaiseksi kuin miltä sen matematiikka näyttää. Havaitsijan rooli on tässä tärkeä, siitä kertonen lisää myöhemmin.
 |
| Karkea kuvaus siitä, miten luonnonlakien matematiikan aika eroaa arkisesta kokemuksestamme. |
Noin. Tämän jutun kirjoittamiseen kului noin yksi tunti. Kello on 21.08 Suomen aikavyöhykkeellä, talviaikaa. Valonsäde matkaa Kuusta maahan noin 1.3 sekuntia. Aamulla kello 10.00 on pienimuotoinen kokous.
Seuraavana onkin vuorossa kirjain B. Sen kirjoittamista odotellessa!
