Ajan ja avaruuden filosofia

Ajan ja avaruuden filosofia on ontologian ja fysiikan filosofian rajalle sijoittuva filosofian osa-alue, joka käsittelee ajan ja avaruuden luonnetta sekä niihin liittyviä ontologisia ja tietoteoreettisia kysymyksiä. Siihen liittyviä kysymyksiä ovat muun muassa, ovatko aika ja avaruus olemassa mielen ulkopuolella tai ovatko ne olemassa toisistaan itsenäisinä; mikä selittää sen, että aika vaikuttaa virtaavan yhteen suuntaan; onko muita ajanhetkiä kuin nykyhetki olemassa; ja mikä on olioiden identiteetin luonne yli ajan.

Historiallisia näkemyksiä 

Aika ja sen virtaaminen oli ongelma jo muinaisessa ajattelussa. Antiikin Kreikassa esisokraattiset filosofit, kuten Parmenides ja Herakleitos, kirjoittivat ajan luonteesta. Intialaisessa, hindulaisessa filosofiassa kuvataan kosmologiaa, jossa kaikkeus käy läpi useita syntymisen, tuhoutumisen ja jälleensyntymisen syklejä, jokaisen syklin kestäessä 4 320 000 vuotta. 

Aristoteles katsoi painovoimateoriassaan, että absoluuttiset sijainnit ja muun muassa kaikkeuden keskipiste ovat olemassa, ja lisäksi avaruudessa on sellaisia absoluuttisia suuntia kuin ”ylös” ja ”alas”. Antiikin ja keskiajan taitteessa kirkkoisä Augustinus pohti ajan luonnetta laajasti teoksensa Tunnustukset yhdennessätoista kirjassa. Hän kysyy: ”Mitä on siis aika? Minä luulen sen tietäväni, jos ei kukaan sitä minulta kysele. Mutta jos joku sitä kysyy ja tahtoisen sen selittää hänelle, minä en sitä tiedä.” 

Antiikin aikana monet filosofit ajattelivat, että kaikkeudella on ääretön menneisyys ilman alkua. Keskiajan teologit sen sijaan katsoivat, että kaikkeuden menneisyys on äärellinen, ja sillä on alkupiste. Tämä näkemys sai vaikutteita Lähi-idän  uskonnoille yhteisestä luomiskertomuksesta. Kristitty ajattelija Johannes Filoponos oli ensimmäisiä, joka esitti tähän perustuvan argumentin antiikin kreikkalaista ajattelua vastaan. Hienostuneempia perusteluja kehittivät myöhemmin varhaiset islamilaiset ja juutalaiset filosofit, kuten Al-Kindi, Saadia Gaon ja Al-Ghazali. He kehittivät kaksi loogista perustelua äärettömän menneisyyden ajatusta vastaan. Niistä ensimmäinen perustui ajatukseen todellisen äärettömyyden mahdottomuudesta:

”Todellista äärettömyyttä ei voi olla olemassa”.
”Tapahtumien ääretön ajallinen regressio on todellinen äärettömyys.”
”∴ Tapahtumien ääretöntä ajallista regressiota ei voi olla olemassa.”

Toinen perustelu perustui ajatukseen, jonka mukaan todellista äärettömyyttä ei voida täydellistää lisäämällä siihen jotain:

”Todellista äärettömyyttä ei voida täydellistää lisäämällä siihen jotain.”
”Menneiden tapahtumien ajallinen sarja on täydellistynyt lisäämällä siihen jotain.”
”∴ Menneiden tapahtumien ajallinen sarja ei voi olla todellinen äärettömyys.”

Myöhemmät kristilliset filosofit ja teologit omaksuivat kummatkin perustelut. Jälkimmäisestä perustelusta tuli kuuluisa erityisesti, kun Immanuel Kant omaksui sen osaksi ensimmäistä aikaa koskevaa antinomiaansa.

1000-luvun alkupuolella Ibn al-Haitham käsitteli Optiikan kirjassaan (1021) avaruuden hahmottamista ja sen tieto-opillisia seurauksia. Hän hylkäsi Eukleideen ja Ptolemaioksen kannattaman näkemisen emissioteorian ja kehitti sen sijaan näkemisen sisään säteilyn eli intromission oppia. Siinä näköhavainto on suhteessa aiempaan ruumiilliseen kokemukseen, minkä seurauksena näkemistä ei pidetty enää niin itsenäisenä toimintona eikä näköhavaintoja yhtä intuitiivisina kuin aiemmin. Käsityksen mukaan näköaistin toiminta vaatii kouriintuntuvaa kokemusta muun muassa etäisyyksistä ja ko'oista.

Suhtautuminen aika-avaruuteen

Realismi ja antirealismi 

Perinteisen ontologisen realismin mukaan aika ja avaruus ovat olemassa ihmismielestä riippumattomina. Ontologinen idealismi sen sijaan kieltää mielen ulkopuolisen todellisuuden olemassaolon tai kyseenalaistaa sen. Myös jotkut antirealistit, jotka myöntävät mielen ulkopuolisia olioita olevan olemassa, kuitenkin epäilevät ajan ja avaruuden mielen ulkopuolista olemassaoloa.

Immanuel Kant esitti teoksessaan Puhtaan järjen kritiikki, että aika ja paikka ovat ihmisen havaintomuotoja, joiden avulla väistämättä hahmotamme kaiken havaitsemamme ja jotka mahdollistavat sen, että voimme ymmärtää havaintokokemusta. Sellaisina ne ovat apriorisia, mutta oliot sinänsä eivät ole sidoksissa aikaan ja paikkaan. Avaruudellisia ulottuvuuksia käytetään määrittämään fysikaalisten kappaleiden välisiä etäisyyksiä, ja ajallista ulottuvuutta käytetään määrittämään tapahtumien välisiä etäisyyksiä tai niiden kestoa.

Jotkut idealistit, kuten J. M. E. McTaggart artikkelissaan ”The Unreality of Time” (1908), ovat katsoneet ajan olevan harha.

Absolutismi ja relationalismi

Leibniz ja Newton 

Keskustelu siitä, ovatko aika ja avaruus itsessään olemassa olevia entiteettejä (absolutismi) vai pelkästään olemassa olevien olioiden järjestämisen muotoja (relationalismi) sai alkunsa Isaac Newtonin puhemiehenä toimineen Samuel Clarken sekä Gottfried Leibnizin välisestä kirjeenvaihdosta.

Newton väitti Principia-teoksensa alussa, että on olemassa absoluuttinen avaruus ja absoluuttinen aika ja esitti niille määritelmät. Leibniz esitti näkemyksensä absolutismia vastaan. Hän pyrki osoittamaan joukolla ajatuskokeita, että sellaisten tosiseikkojen kuten absoluuttinen sijainti tai nopeus olettaminen johtaa ristiriitoihin. Hänen perustelunsa perustuivat pääasiassa kahteen periaatteeseen, jotka olivat keskeisiä hänen ajattelussaan: riittävän syyn periaate sekä erottamattomien samuus. Riittävän syyn periaatteen mukaan jokaista tosiseikkaa vastaa syy, joka on riittävä selittämään miksi jokin on niin kuin se on eikä jotenkin muutoin. Erottamattomien samuuden periaatteen mukaan mikäli kahta entiteettiä ei voida millään tavalla erottaa toisistaan, ne ovat yksi ja sama entiteetti.

Leibniz käytti esimerkkinä kahta vaihtoehtoista kaikkeutta, jotka sijaitsevat absoluuttisessa avaruudessa. Ainoa tunnistettavissa oleva ero niiden välillä on se, että jälkimmäinen kaikkeus sijaitsee viisi jalkaa vasempaan ensimmäisestä kaikkeudesta. Tämä asetelma on mahdollinen vain silloin, jos absoluuttinen avaruus on olemassa. Leibnizin mukaan asetelma ei kuitenkaan ole mahdollinen, koska jos se olisi, paikalla jossa kaikkeus sijaitsee absoluuttisessa avaruudessa ei olisi riittävää syytä, koska se olisi voinut olla missä tahansa muualla. Siksi se on ristiriidassa riittävän syyn periaatteen kanssa, ja tällöin voisi olla olemassa kaksi erillistä kaikkeutta, jotka olisivat kaikilla tavoin erottamattomia, mikä olisi ristiriidassa erottamattomien samuuden periaatteen kanssa. 

Clarken (ja Newtonin) vastaus Leibnizille perustui niin sanottuun Newtonin ämpärin ajatuskokeeseen: Ämpäri, joka roikkuu köydestä, on täynnä vettä. Se laitetaan pyörimään. Aluksi veden pinta on tasainen. Kun myös vesi alkaa pyöriä ämpärissä, sen pinta muuttuu koveraksi. Jos ämpärin pyöriminen pysäytetään, vesi jatkaa pyörimistä, ja niin kauan kuin pyöriminen jatkuu, veden pinta on kovera. Pinnan koveruus ei vaikuta olevan seurausta ämpärin ja veden vuorovaikutuksesta, koska veden pinta on tasainen kun ämpäri alkaa pyöriä, muuttuu koveraksi kun vesi alkaa pyöriä, ja pysyy koverana vaikka ämpäri pysähtyy.

Tällä vastauksella Clarke esitti näkemyksensä absoluuttisen avaruuden välttämättömyydestä, jotta sellaiset ilmiöt kuten pyöriminen ja kiihtyvyys, joita ei voida selittää pelkästään relationalistisesti, tulisivat ymmärrettäviksi. Koska veden kaareutuminen ilmenee yhtä lailla pyörivässä ämpärissä kuin paikallaan olevassa ämpärissä, jossa on pyörivässä liikkeessä olevaa vettä, Clarken mukaan tämä voidaan selittää vain katsomalla, että vesi pyörii suhteessa johonkin kolmanteen asiaan — absoluuttiseen avaruuteen.

Leibniz kuvasi avaruuden, joka on olemassa vain suhteena olioiden välillä, ja jolla ei ole olemassaoloa näiden olioiden olemassaolon ulkopuolella. Liike on olemassa vain suhteena näiden olioiden välillä. Newtonilainen avaruus tarjosi absoluuttisen viitekehyksen, jossa oliot saattoivat liikkua. Newtonin järjestelmässä tämä viitekehys on olemassa itsenäisesti niistä olioista, jotka sijaitsevat sen sisällä. Niiden liike voidaan kuvata suhteessa avaruuteen itseensä. Newtonin ämpärin tarjoama todistus hyväksyttiin useita satoja vuosia.

Mach 

Toinen merkittävä henkilö aiheesta käydyn keskustelun historiassa on Ernst Mach. Vaikkakaan hän ei kieltänyt Newtonin ämpärin ajatuskokeen yhteydessä ilmenevien ilmiöiden olemassaoloa, hän kuitenkin kielsi absolutistisen johtopäätöksen tarjoamalla erilaisen vastauksen siihen, mihin nähden ämpäri pyöri: se pyöri suhteessa kiintotähtiin.

Mach katsoi, että sellaiset ajatuskokeet kuin Newtonin ämpäri ovat ongelmallisia. Jos kuvittelisimme kaikkeuden, joka sisältää vain ämpärin, Newtonin kuvauksen mukaan tämä ämpäri voitaisiin laittaa pyörimään suhteessa absoluuttiseen avaruuteen, ja ämpärissä oleva veden pinta muuttuisi koveraksi. Koska kaikkeudessa ei kuitenkaan olisi mitään muuta, olisi mahdotonta vahvistaa, että ämpäri todellakin pyörii. Vaikuttaa aivan yhtä mahdolliselta, että veden pinta ämpärissä pysyisi tasaisena.

Jos kaikkeuteen kuitenkin lisättäisiin joku toinen olio ämpärin lisäksi, kuten esimerkiksi kaukainen tähti, tällöin olisi olemassa jotakin, johon nähden ämpärin voidaan katsoa pyörivän. Ämpärissä olevan veden pinnassa olisi mahdollisesti pieni kaareuma. Kun kaikkeudessa olevien olioiden lukumäärää lisätään, myös veden kaareutuminen lisääntyy. Mach katsoi, että olion momentti on olemassa vain kaikkeuden muiden olioiden vaikutusten summan seurauksena (Machin periaate).

Einstein 

Albert Einstein esitti, että fysiikan lakien tulee olla samat kaikille havaitsijoille riippumatta käytetystä viitekehyksestä, koordinaatistosta. Suurin ongelma tälle ajatukselle tuli Maxwellin yhtälöistä. Niistä seurasi, että valonnopeus tyhjiössä on vakio. Tämä oli myöhemmin Einsteinin suhteellisuusteorian peruspostulaatteja.

Einstein otti suhteellisuusteoriansa lähtökohdaksi toteamuksen, että kaikki yritykset mitata esimerkiksi Maan nopeus suhteessa postuloituun valoeetteriin epäonnistuivat. Tästä hän päätteli, ettei eetteriä eikä myöskään absoluuttista avaruutta ole olemassa. Erityinen suhteellisuusteoria on suhteellisuuden periaatteen formalisointi. Sen mukaan kaikki fysiikan lait ovat samat kaikissa inertiaalijärjestelmissä eli tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä olevissa koordinaatistoissa.

Myöhemmin yleisessä suhteellisuusteoriassa Einstein yleisti suhteellisuuden ei-inertiaalisiin viitekehyksiin. Tämän mahdollisti ekvivalenssiperiaatteen olettaminen. Sen mukaan gravitaation aiheuttama voima ja kiihtyvyyden seurauksena tunnetut hitausvoimat ovat periaatteessa sama asia. Einsteinin esittämän ajatuskokeen (”Einsteinin hissi” tai avaruusalus) mukaan suljetussa tilassa oleva havaitsija, joka ei näe tämän tilan ulkopuolelle, ei voi millään keinolla ratkaista, onko tämä kiihtyvässä liikkeessä vai vaikuttaako siellä jonkin ulkopuolella olevan kappaleen aiheuttama gravitaatiovoima. Tämä johti johtopäätökseen, jonka mukaan olion massa kaareuttaa sen ympärillä olevan aika-avaruuden, niin kuin Einsteinin kenttäyhtälöt kuvaavat.

Inertiaalisen viitekehyksen mukaan olio, joka liikkuu aika-avaruuden geodeesin vastaisesti, kokee voiman. Vapaassa pudotuksessa oleva olio ei koe voimaa, koska se seuraa geodeesiä. Maan päällä oleva olio kokee voiman, koska se on planeetan pinnalla ollessaan geodeesin vastainen. Tämän valossa tyhjässä avaruudessa pyörivä ämpärillinen vettä kokee voiman, koska se pyörii suhteessa geodeesiin. Vesi kaareutuu, mutta ei siksi, että se pyörisi suhteessa kaukaisiin tähtiin, vaan siksi, että se pyörii suhteessa geodeesiin. 

Einstein hyväksyi Machin periaatteen sikäli, että kaukaiset tähdet selittävät inertian tarjoamalla gravitaatiokentän, jota vastaan kiihtyvyys ja inertia tapahtuvat. Päinvastoin kuin Leibnizilla, tämä kaareutunut aika-avaruus on kuitenkin yhtä oleellinen osa oliota kuin muut sen keskeiset ominaisuudet, kuten tilavuus ja massa.

Konventionalismi 

Konventionalismin mukaan aika-avaruus on vain konventionaalinen eli sopimuksenvarainen asia. Ensimmäisenä tällaista näkemystä kannatti Henri Poincaré. Hänen näkemyksensä oli vaste epäeuklidisen geometrian synnylle. Hän katsoi, että se mitä geometriaa avaruuteen sovelletaan on sovinnainen asia, koska erilaiset geometriat kuvaavat jonkun oliojoukon yhtä hyvin. 

Myöhemmin Hans Reichenbach kehitti ja laajensi tätä näkemystä edelleen ottamaan huomioon suhteellisuusteorian kehityksen. Reichenbachin konventionalismi keskittyi koordinatiivisen määritelmän ajatukseen. Sillä on kaksi keskeistä piirrettä. Ensimmäinen liittyy pituusmittojen koordinoimiseen joidenkin fysikaalisten kappaleiden kanssa. Tämä liittyy siihen, ettemme voi koskaan käsittää pituuksia suoraan. Sen sijaan meidän on valittava joku fysikaalinen kappale, sanokaamme esimerkiksi metrin prototyyppi Kansainvälisessä paino- ja mittatoimistossa (Bureau International des Poids et Mesures), edustamaan pituusmittaamme. Toinen piirre liittyy erillisiin kappaleisiin. Vaikka voimmekin verrata kahden vierekkäin olevan metrin mitan pituuksia suoraan, vertaaminen ei ole yhtä helppoa, jos ne ovat kaukana toisistaan. Vaikka mitat olisivatkin saman pituisia kun ne tuodaan lähekkäin, emme ole oikeutettuja sanomaan, että ne ovat aina yhtä pitkiä. Pituuksien samuus tulee asettaa määrittelemällä. 

Reichenbachin konventionalismin mukaan yleisessä suhteellisuusteoriassa on kyse juuri tällaisesta koordinatiivisesta määritelmästä. Siinä valon nopeuden jossain tietyssä ajassa oletetaan vastaavan aina samaa pituutta. Kun tällainen koordinatiivinen määritelmä on asetettu, samalla on asetettu aika-avaruuden geometria.

Aika-avaruuden rakenne 

Aika-avaruuden tarkempi rakenne on eräs aihe, josta on keskusteltu sekä ajan ja avaruuden filosofiassa että fysiikan filosofiassa, toisaalta suhteessa absolutismiin ja konventionalismiin, toisaalta suhteessa yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Samanaikaisuuden suhteellisuus 

Erityisen suhteellisuusteorian mukaan avaruuden eri paikoissa sattuvien tapahtumien aikajärjestyskään ei ole kaikissa tapauksissa yksiselitteisesti määriteltävissä. Sen sijaan jokaiseen aika-avaruuden pisteeseen (tapahtumaan) liittyy yksikäsitteisesti määriteltävissä oleva tulevaisuuden valokartio ja menneisyyden valokartio. 

Tulevaisuuden valokartioon kuuluvat ne aika-avaruuden pisteet (tapahtumat), joita ennen annetusta pisteestä lähtevä valo ehtii kyseiseen paikkaan. Menneisyyden valokartioon taas kuuluvat ne tapahtumat, joista valo ehtii annettuun pisteeseen ennen kyseistä hetkeä. Minkä tahansa tapahtuman kaikki syyt ovat siihen liittyvässä menneisyyden valokartiossa, kaikki seuraukset taas tulevaisuuden valokartiossa. Täten kahden eri tapahtuman välinen intervalli voi olla ajanluontoinen tai paikanluontoinen. Intervalli on ajanluontoinen, jos toinen tapahtuma on toiseen liittyvässä tulevaisuuden tai menneisyyden valokartiossa, muussa tapauksessa paikanluontoinen. Toisin sanoen intervalli on paikanluontoinen, jos tapahtumapaikat ovat niin kaukana toisistaan, ettei valo ehdi niiden välisenä aikana paikasta toiseen, ja siinä tapauksessa ei tapahtumien aikajärjestyskään ole yksiselitteinen vaan riippuu käytetystä koordinaatistosta. Koska esimerkiksi Auringon valo saapuu Maahan noin 8 minuutissa, tapahtumat Auringossa alle 8 minuuttia sitten tai alle 8 minuutin kuluttua eivät siis kuulu yksiselitteisesti menneisyyteen tai tulevaisuuteen vaan asia riippuu havaitsijan koordinaatiosta.

Suhteellisuusteorian mukaan siis aika ja avaruus liittyvät toisiinsa syvällisemmin kuin fysiikassa oli aikaisemmin oletettu. Tämä johti myös käsitykseen ajasta neljäntenä ulottuvuutena, johon liittyy muun muassa Rietdijkin–Putnamin argumentti.

Invarianssi ja kovarianssi 

Michael Friedman on soveltanut invarianssin ja kovarianssin käsitteitä absolutismi/relationalismi -keskusteluun. Invarianssia eli symmetriaa sovelletaan olioihin, niin että aika-avaruusteorian symmetriaryhmä määrittää, mitkä olion ominaisuudet ovat invariantteja (muuttumattomia, absoluuttisia) ja mitkä variantteja (muuttuvia, dynaamisia). Kovarianssia sovelletaan teorioiden formulointeihin, niin että aika-avaruusteorian kovarianssiryhmä määrittää, millä koordinaattijärjestelmien alueilla fysiikan lait pätevät. 

Tätä eroa voidaan havainnollistaa Leibnizin ajatuskokeen uudella sovellutuksella, jossa kaikkeutta siirretään viisi jalkaa. Tässä esimerkissä olion sijainnin ei katsota olevan olion ominaisuus, toisin sanoen sijainti ei ole invariantti. Vastaavasti kovarianssiryhmä klassiselle mekaniikalle on mikä tahansa koordinaattijärjestelmä, joka saadaan toisesta sijainteja siirtämällä tai tekemällä muita siirtoja, jotka Galilein muunnos sallii. 

Klassisessa fysiikassa invarianssiryhmä ja kovarianssiryhmä vastaavat toisiaan, mutta relativistisessa fysiikassa ne eroavat toisistaan. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan olion kaikki ominaisuudet ovat dynaamisia, eli absoluuttisia olioita ei ole olemassa.

Aika-avaruuden substantiaalisuus 

Yleisen suhteellisuusteorian myötä keskustelu on siirtynyt absolutismin ja relationalismin väliltä osittain siihen, onko aika-avaruus substanssi. Tämä  on seurausta siitä, että yleinen suhteellisuusteoria rajaa pois muun muassa absoluuttisten paikkojen olemassaolon. Eräs vahva argumentti aika-avaruuden substantiaalisuutta vastaan on John Earmanin ”reikäargumentti”. Sen mukaan ajatus aika-avaruuden substantiaalisuudesta sallii reikien muodostamisen ja siksi kaikkeuden olisi oltava epädeterministinen.

Tämä puhuu Earmanin mukaan kuitenkin substantiaalisuutta vastaan, koska kysymyksen determinismistä ja epädeterminismistä pitäisi olla fysiikan alan kysymys, eikä kiinni siitä, sitoudummeko substantiaalisuteen vai emme.

Ajan luonne

Ajan virtaaminen 

Ajan virtaamisen ongelman nykyinen muotoilu on peräisin J. M. E. McTaggartilta. Hän esitteli kaksi ajallista sarjaa, A-sarjan ja B-sarjan, jotka ovat keskeisellä sijalla siinä, miten ymmärrämme aikaa. Ensimmäinen sarja, A-sarja, pyrkii selittämään ajallista tulemista koskevat intuitiomme, eli intuition läpi ajan liikkuvasta nyt-hetkestä. Se järjestää tapahtumat sen mukaan, sijoittuvatko ne suhteessa toisiinsa menneisyyteen, nykyisyyteen vai tulevaisuuteen. B-sarja poistaa kaikki viittaukset nykyisyyteen sekä siihen liittyviin menneisyyden ja tulevaisuuden ajallisiin modaliteetteihin. Sen sijaan se järjestää tapahtumat käyttäen pelkästään ajallisia suhteita aiemmin kuin tai myöhemmin kuin

McTaggart katsoi, että aika on epätodellista, koska 1) A-sarja on epäjohdonmukainen ja 2) B-sarja ei voi yksistään selittää ajan luonnetta, koska A-sarja kuvaa erään sen oleellisen piirteen.

Ongelmaan on esitetty kahta erilaista ratkaisua. A-teoristinen ratkaisu pitää tulemista ajan keskeisimpänä piirteenä, ja pyrkii muodostamaan B-sarjan A-sarjasta selittämällä, miten B-tosiseikoista tulee A-tosiseikkoja. B-teoristinen ratkaisu hyväksyy McTaggartin argumentin A-sarjaa vastaan, ja pyrkii muodostamaan A-sarjan B-sarjasta esimerkiksi käyttämällä ajallisia indeksikaaleja.

Presentismi ja eternalismi 

Presentismin mukaan aika on useiden todellisuuksien järjestys. Jonakin tiettynä hetkenä joitakin asioita on olemassa ja joitakin taas ei. Tämä on ainoa todellisuus, jota voimme käsitellä, emmekä voi esimerkiksi sanoa, että Homeros on olemassa, koska tällä hetkellä hän ei ole olemassa. Eternalismi puolestaan katsoo, että aika on todellisuuden ulottuvuus kolmen avaruudellisen ulottuvuuden ohella, ja siksi kaikkien asioiden — menneiden, nykyisten ja tulevien — voidaan sanoa olevan yhtä todellisia kuin nykyisyydessä olevat asiat ovat. Tämän käsityksen mukaan Homeros siis todellisuudessa on olemassa, vaikkakin meidän on käytettävä erityistä puhetapaa puhuessamme jostakin, joka on olemassa jossain toisessa ajassa — aivan kuten käytämme erityistä puhetapaa puhuessamme jostakin, joka on jossain toisessa paikassa. Tällöin sanoja menneisyydessä, tulevaisuudessa, minuutti sitten ja niin edelleen voidaan verrata sanoihin lähellä, kaukana, metrin päässä ja niin edelleen.

Endurantismi ja perdurantismi 

Olioiden ajallista pysyvyyttä koskevat kannat ovat jotakuinkin samanlaisia. Endurantismin mukaan olion pysyvyys ajan läpi tarkoittaa sitä, että se on olemassa kokonaisuudessaan eri aikoina. Jokainen olion olemassaolon instantti on jollain tavalla erillinen sen menneistä ja tulevista instansseista, vaikkakin ne ovat numeerisesti identtisiä sen kanssa. Perdurantismin mukaan olion pysyvyys ajan läpi tarkoittaa sitä, että se on olemassa jatkumona, ja kun puhumme koko oliosta, tarkoitamme sen ”ajallisten osien” tai olemassaolon instanssien kokonaisuutta. Endurantismin etuna voidaan nähdä sen intuitiivisuus: kun esimerkiksi keskustelemme jonkun henkilön kanssa, katsomme hänen olevan kokonainen olio, eikä pelkästään osa jostakin ajan läpi ulottuvasta oliosta. Perdurantismin etuna puolestaan voidaan nähdä se, että sen on helpompi ottaa huomioon olioissa ajan kuluessa tapahtuvat muutokset.

Näiden kahden kysymyksen väliset suhteet ovat senkaltaiset, että presentistit ovat myös endurantisteja ja eternalistit puolestaan perdurantisteja (ja päinvastoin). Tämä yhteys ei kuitenkaan ole välttämätön.

Ajan suunta 

Ajan virtaamisen ohella toinen ongelma on sen virtaamisen suunta (ajan nuolen ongelma). Ongelma syntyy kahdesta ristiriitaisesta tosiseikasta. Ensiksi, fysiikan peruslait ovat muuttumattomia suhteessa ajan suuntaan. Toisin sanoen mikä tahansa mikä voi tapahtua siirryttäessä ajassa eteenpäin on fysiikan näkökulmasta yhtä mahdollista siirryttäessä ajassa taaksepäin. Toiseksi, makroskooppisella tasolla kokemuksemme ajasta ei kuitenkaan ole muuttumaton suhteessa ajan suuntaan. Esimerkiksi, juomalasit putoilevat pöydiltä ja särkyvät, mutta särkyneet juomalasit eivät palaudu ennalleen ja hyppää takaisin pöydälle; meillä on muistoja menneisyydestä, mutta ei tulevaisuudesta; tunnemme, ettemme voi muuttaa menneisyyttä, mutta että voimme vaikuttaa tulevaisuuteen; ja niin edelleen.

Kausaliteettiin perustuva ratkaisu 

Eräs ratkaisu tähän ongelmaan on ontologinen näkemys, jonka mukaan ajan suunta on seurausta syy-seuraussuhteiden eli kausaliteetin epäsymmetrisyydestä. Tiedämme enemmän menneisyydestä, koska menneisyydessä olevat tekijät ovat syitä niille seurauksille, joita voimme havaita nykyhetkessä. Meistä tuntuu, ettemme voi vaikuttaa menneeseen ja että voimme vaikuttaa tulevaisuuteen, koska emme voi vaikuttaa syysuhteellisesti menneisyyteen, mutta voimme vaikuttaa syysuhteellisesti tulevaisuuteen.

Näkemyksessä on ainakin kaksi suurempaa ongelmaa. Ensimmäinen ongelma on syyn ja seurauksen erottaminen toisistaan muilla kuin mielivaltaisilla perusteilla. Jos ajallisten tapahtumien sarjaa selitetään syy-seuraussuhteiden ketjulla, tällaisesta ketjusta voi tulla kehämäinen. Toinen ongelma koskee enemmän näkemyksen selitysvoimaa kuin sen johdonmukaisuutta. Vaikka syysuhteeseen perustuva selitys voikin ehkä selittää joitakin ajan suhteen symmetrisiä ilmiöitä, kuten havainto ja toiminta, se ei selitä kaikkia ilmiöitä täysin, kuten esimerkiksi mainittua juomalasin särkymistä.

Termodynamiikkaan perustuva ratkaisu 

Toinen ratkaisuehdotus, joka on tähän mennessä synnyttänyt eniten kirjallisuutta, selittää ajan suunnan perustuvan termodynamiikan luonteeseen. 

Klassiseen termodynamiikkaan perustuvan selityksen mukaan fysiikan perusteoriat ovat ajan suhteen käännettävissä, mutta termodynamiikka ei ole. Termodynamiikan toisesta pääsäännöstä seuraa, ettei eristetyn systeemin kokonaisentropia koskaan vähene. Tämä selittää myös sen, miksi lasi voi pudota pöydältä ja särkyä, mutta ei tulla ehjäksi ja hypätä pöydälle.

Statistisessa mekaniikassa asiat ovat kuitenkin monimutkaisempia. Toisaalta statistinen mekaniikka on ylivoimainen klassiseen termodynamiikkaan verrattuna, koska siinä termodynaamisia ilmiöitä, kuten lasin särkymistä, selitetään yhdistemällä fysiikan peruslakeja ja tilastotieteen matemaattisia työkaluja. Päinvastoin kuin klassinen termodynamiikka, statistinen mekaniikka on kuitenkin ajan suhteen käännettävissä. Statistisessa mekaniikassa termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo vain, että on äärimmäisen todennäköistä, että kokonaisentropia kasvaa, vaikkakaan tämä ei ole ehdoton luonnonlaki.

Nykyiset termodynamiikkaan perustuvat ratkaisut ajan suunnan ongelmaan pyrkivät löytämään jotain muita tekijöitä tai luonnonlakien piirteitä, jotka selittäisivät tämän epäjohdonmukaisuuden.

Luonnonlakeihin perustuva ratkaisu 

Kolmatta tyyppiä olevat ratkaisuehdotukset ajan suunnan ongelmaan perustuvat siihen ajatukseen, että luonnonlait eivät ole ajan suhteen symmetrisiä. Esimerkiksi tietyt kvanttimekaaniset prosessit, liittyen heikkoon vuorovaikutukseen, ovat ajan suunnan suhteen epäsymmetrisiä eli ne eivät ole ajan suhteen käännettävissä (pitäen mielessä, että kvanttimekaniikan tapauksessa ajan suhteen käännettävyyden määritelmä on monimutkaisempi).

Tämänkaltainen ratkaisu on kuitenkin riittämätön, koska 1) kvanttimekaniikan ajan suhteen symmetriset ilmiöt eivät pysty selittämään makroskooppisen tason epäsymmetrisyyttä ajan suhteen, ja 2) se perustuu oletukseen, että kvanttimekaniikka on oikea tai lopullinen kuvaus fysikaalisista prosesseista.

Luonnonlakeihin perustuvaa ratkaisua on ehdottanut muun muassa Tim Maudlin, joka on katsonut, että kvanttimekaanisten ilmiöiden lisäksi myös aika-avaruuden perusfysiikkamme (yleinen suhteellisuusteoria) on ajan suunnan suhteen epäsymmetrinen. Maudlin kieltää ne määritelmät, jotka ovat ajan suunnan suhteen symmetrisyyden taustalla, ja katsoo näiden määritelmien itsensä aiheuttavan sen, että ajan suunta näyttäytyy ongelmana.

Katso myös 

 Fysiikan filosofia
 Identiteetti ja muutos

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

 Brown, C. L.: What is Space? , 2006 
 
 
 
 
 Khan, M. H. (toim.): Nature of Time 
 
 
 
 Rea, M. C.: Four Dimensionalism, The Oxford Handbook for Metaphysics 
 
 Slavov, Matias: "Ajan ja avaruuden käsitteet ovat sekä filosofiaa että fysiikkaa". Tieteessä tapahtuu 4(12) 2014: 49–55.

Aika
Tila
Fysiikan filosofia
Ontologia
Seulonnan keskeiset artikkelit