Parempi aine, blogi 30/18

Blogissa 27 kopioin lukion 2. luokan aineeni, josta opettajani antoi arvosanaksi vain 9½. Ehkä tuo ‘huono’ numero johtui siitä, että olin tehnyt pari yhdyssanavirhettä. Esittelen tässä nyt preliminääreissä 4.2.1961 kirjoittamani aineen, joka sattui olemaan alueelta, mistä minulla jo silloin oli varsin paljon tietoja.

Aika ja ajan mitaaminen

Aika kuuluu pituuden ja massan ohella fysiikan perussuureisiin. Sen tähden fysiikka ei pystykään määrittelemään, mitä aika on: täytyy olettaa ilman muuta näiden kolmen suureen olemassaolo, joiden avulla muut käsitteet määritellään. Se, että aika on suure, tarkoittaa, että sitä voidaan mitata eli voidaan verrata erilaisia “aikoja” yksikön suuruiseen aikaan.

Ajan mittauksen alkeellisin menetelmä on arvioiminen. Ilman minkäänlaisia mittalaitteita voidaan sanoa: tämä aika on pidempi kuin tuo toinen. Ihmisillä ja ehkä muillakin eliöillä, joilla on kyky muistaa, on jonkinlainen aikaa mittaava aisti. Se on kuitenkin melko summittainen ja epätarkka sekä yhteydessä muiden aistimusten kanssa. Tuttu toteamushan on, että “aika tuntuu pitkältä” esimerkiksi yksinäisyydessä. Silloin muut aistit eivät saa riittävästi havaintoja, aivoihin syntyy “työttömystila” ja “aikakaan ei kulu”. Mittaamaan aikaa on siis tarvinnut keksiä muita laitteita.

Ajanmittauksen avuksi on ollut käytännöllistä valita liikkeitä luonnosta, jotka ovat mahdollisimman “tasaisia” eli joihin eivät vaikuta ulkopuoliset tekijät. Niinpä kaikki ajanmittarit – tiimalaseista elektronikelloihin – perustuvat tasaisiin tai tasaisesti jaksollisiin luonnonliikkeisiin.

Koska veden tai hiekan valuminen pienestä reiästä on jokseenkin tasaista, on siitä saatu periaate alkeellisimpiin ajanmittauslaitteisiin: tiimalaseihin ja vesi- ja hiekkakelloihin. Kaksossuppilon muotoinen tiimalasi on ollut yleinen, entisaikoina kaikkialla käytetty ajanmittari. Niin sanotuissa vesikelloissa saatettiin veden tippuminen pienestä reiästä yhdistää muuhun mekaaniseen liikkeeseen ja saada täten aikaan osoittimien kiertymiä. Näin voitiin helposti todeta ajan kulku. Myös päreen tai kynttilän tasaista palamista on käytetty ajan kulun toteamiseen.

Harmoniset liikkeet: heilurin liike ja jousen värähtely ovat tasaisen jaksollisia liikeitä, joiden perustalla useat nykyajankin ajanmittarit, kellot, toimivat. Jännitetty vieterijousi pitää rannekellon spiraalijousen yhtämittaisessa värähtelyliikkeessä, joka muutetaan osoittimien liikkeeksi. Samoin eräissä seinäkellomalleissa punnuksen putoaminen pitää yllä kellon heilurin tasaista liikettä.

Perustaksi tarkimpiin ajanmittauksiin ja ajan yksiköjen määrittelyyn on heiluriliikekin epätarkka. Tarkimmat ja säännöllisimmät liikkeet ovat  luonnon jättiläismaailmassa kiertotähtien liikkeet ja toiseksi elektronien liike atomissa, luonnon kääpiömaailmassa.

Tavallisimmat ajanyksiköt – sekunti, tunti, vuosi – onkin määritelty maan kiertoliikkeiden pohjalla. Nykyajan tieteen on myös pystyttävä mittaamaan erittäin lyhyitä aikoja. Tähän on saatu apua atomin “aurinkokunnan” liikkeistä. Elektronin nopea liike on antanut jopa mahdollisuuden käyttää hyväksi “alkeisaikaa” eli lyhintä mahdollista ajateltavissa olevaa aikaa – aikaa, joka kuluu elektronin hypätessä atomin kuorelta toiselle. Myös atomiydinmuutokset, aineiden radioaktiivinen hajoaminen ovat tärkeitä tieteen käyttämiä ajankelloja.

Vaikka aika onkin monella tavalla mitattavissa ja tajuttavissa, liittyy sen määrittelevä olemus korkean filosofian piiriin. Uusin tiede on ottanut ajan neljänneksi ulottuvuudeksi avaruus-aika -kordinaatistoon. Kaikkiin ilmiöihin liittyy nimittäin aina aika: eihän voi ajatella tapahtumaa, johon ei kuluisi aikaa. Aika siis kuuluu yhteen kolmen muun ulottuvuuden muodostaman avaruuden kanssa, eli aika on aina siellä, missä on avaruuskin. Ellei ole avaruutta, ei ole aikaakaan. Niinpä maailmankaikkeuden on laskettu syntyneen aikana Tο, noin 4.5 miljardia vuotta sitten. Sitä ennen ei ollut avaruutta eikä siis aikaakaan, vaikkakin on vaikea kuvitella ei-avaruutta ja ei-aikaa siksi, että niillä ei ole konkreettisia vastineita.

Aika on näin ollen vain käsite. Sitä pystytään mittaamaan, ehkä tarkemmin kuin painoa tai pituutta. Mutta kuitenkin liittyy aikaan eräs ominaisuus. Kun tulevaisuuden ihminen lähtee avaruusmatkalle ja palaa vuoden kuluttua takaisin, saattaa hän havaita, että maan pinnalla on ajan kello jo käynyt sata vuotta siitä, kun hän lähti. Lähes valon nopeudella kiitävässä avaruusraketissa olivat kaikki toiminnat hidastuneet samassa suhteessa: niinpä kellotkin kävivät hitaammin, almanakan lehdet kääntyivät harvemmin kuin maan pinnalla. Siis ajasta ja sen mittaamisesta voidaan sanoa Einsteinin tavoin: “Kaikki on suhteelista.”

– – –

Tässä tuo oli. Opettaja oli nyt antanut arvosanan  l+. Korkein arvosana yo-kokeessa oli tuolloin laudatur eli l. Hämmästelen vieläkin, mitä tuo plus-merkki siinä perässä teki. Ehkä siinä tuli äidinkielen opettajallekin jotain miettimistä. Tuosta kirjoittelusta on kulunut pian jo 58 vuotta ja nykytietämyksellä voisi asiaan lisatä paljonkin uutta tietoa. Esimerkiksi omassa autossani kello pysyy sekunnilleen oikeassa ajassa satelliitin avulla.