Aika – määritelmä, mittaaminen, kellotiede ja aika-avaruus

Aika on olemassaolon ja tapahtumien loputon jatkuva eteneminen. Se tapahtuu näennäisesti peruuttamattomasti menneisyydestä nykyhetken kautta tulevaisuuteen. Aikaa voidaan tarkastella monesta näkökulmasta: kokemuksellisena ilmiönä, fysiikan suureena ja yhteiskunnallisena järjestämisen välineenä. Ajan "suunta" — miksi kokemus ja prosessit näyttävät kulkevan vain yhteen suuntaan — liittyy termodynamiikan entropiaan ja kosmologisiin oloihin.

Ajan mittaamiseen voidaan käyttää mitä tahansa, joka toistuu säännöllisesti. Yksi esimerkki on uuden päivän alku (kun maapallo pyörii akselinsa ympäri). Kaksi muuta esimerkkiä ovat kuun vaiheet (kuun kiertäessä maapalloa) ja vuodenajat (maapallon kiertäessä aurinkoa). Jo muinaisina aikoina kehitettiin kalentereita, joiden avulla voitiin seurata vuoden päivien lukumäärää. He kehittivät myös aurinkokelloja, jotka käyttivät auringon päivän aikana heittämiä liikkuvia varjoja mittaamaan päivää pienempiä aikoja. Nykyään erittäin tarkat kellot voivat mitata alle sekunnin miljardisosan pituisia aikoja. Ajan mittaamisen tutkimus on kellotiedettä.

Ajan mittaamisen välineet ja kehitys

Historian aikana ajan mittaamisen tekniikat kehittyivät yksinkertaisista luonnonilmiöiden havainnoista monimutkaisiin mekaanisiin ja sähköisiin laitteisiin. Keskeisiä kehitysvaiheita:

• Aurinkokellot ja varjokellot — käytettiin auringon kulmaa päivän jakamiseen.
• Vesikellot ja hiekkakellot — tasaista virtausta hyödyntävät ajan mittarit, joita käytettiin myös sisätiloissa ja yöllä.
• Mekaaniset kellot — keskiajan jälkeen kellokoneistot yleistyivät; polkuri- ja hammasrattaistot mahdollistivat tarkemman mittauksen.
• Heilurikellot — Christiaan Huygensin 1600-luvun keksintö paransi tarkkuutta merkittävästi.
• Kvartsi- eli elektroniset kellot — 1900-luvulla kvartsiresonaattorin värähtelyt toivat suuren hyppäyksen tasaisuuteen.
• Atomikellot — mittaavat atomin kvanttitason siirtymiin liittyvää taajuutta; cesium-atomikellojen ansiosta sekunti määritellään erittäin tarkasti.
• Optiset kellot — uusinta teknologiaa, saavuttavat mittaustarkkuuksia, jotka voivat olla jopa 10^(-18) luokkaa.

Nykyisin tarkimpia aikalähteitä ovat atomikellot. Kansainvälinen määritelmä sekunnista (ks. alla) perustuu cesium-133‑atomin hyperhienorakenteen siirtymän taajuuteen. Lisäksi eri sovelluksissa, kuten satelliittipaikannuksessa (GPS), käytetään omia aikajärjestelmiään, jotka huomioivat relativistiset korjaukset.

Yksiköt ja kansainväliset aikajärjestelmät

SI-järjestelmän (International Systems of Units) aikayksikkö on yksi sekunti, joka kirjoitetaan s. Vuoden 1967 kansainvälisen päätöksen jälkeen sekunti määritellään tarkasti atomiseen ilmiöön perustuen: se on cesium‑133‑atomin perusolojen hyperhienorakenteen siirtymään liittyvän säteilyn 9 192 631 770 sykliä kestävä ajanjakso. Käytännön mittayksiköistä yleisiä ovat myös:

• minuutti = 60 s
• tunti = 60 minuuttia = 3600 s
• päivä ≈ 24 tuntia (maa-ajan ja kalenteripäivän erot huomioidaan)
• vuosi ≈ 365 tai 366 päivää (kalenterin mukaan)

Maailmanlaajuisesti käytössä olevia aikajärjestelmiä ovat muun muassa TAI (International Atomic Time), UTC (Coordinated Universal Time) ja paikalliset aikavyöhykkeet. UTC perustuu atomikelloihin mutta sisältää ajoittaisia leaps seconds-korjauksia (karkaussekunteja) pitääkseen kellonajan synkassa Maan kiihtyvyyteen ja pitkän aikavälin astronomiaan nähden.

Kellotiede (kronometria) ja sovellukset

Kellotiede (kronometria) kattaa ajan mittaamisen teorian, kellotekniikan ja ajan levityksen. Kellotiedettä tarvitaan muun muassa:

• navigaatiossa (esim. GPS vaatii erittäin tarkkaa aikaa),
• telekommunikaatiossa ja tietoverkoissa synkronointiin,
• tieteellisissä kokeissa, jotka vaativat tarkkaa aikaleimausta (esim. kokeelliset fysiikan mittaukset),
• teollisuuden prosessinohjauksessa ja rahoitusmarkkinoilla tapahtumien kronologiassa.

Relativistinen aika ja aika-avaruus

Einsteinin fysiikassa aika ja avaruus voidaan yhdistää yhdeksi käsitteeksi. Ks. aika-avaruusjatkumo. Erityisessä suhteellisuusteoriassa liikkeessä oleva kellonajan kulku hidastuu verrattuna pysyvään havaitsijaan (aikadilataatio). Yleinen suhteellisuusteoria puolestaan ennustaa, että kellot eri gravitaatiopotentiaaleissa kulkevat eri tahtiin: lähempänä massakeskusta aika kulkee hitaammin kuin kauempana. Nämä relativistiset ilmiöt on huomioitava esimerkiksi satelliittipaikannuksessa ja erittäin tarkassa ajanjakelussa.

Ajan filosofiset ja käytännölliset näkökulmat

Aika on sekä konkreettinen mittaamisen kohde että syvällinen filosofinen kysymys. Filosofisesti pohditaan muun muassa, onko aika itsenäinen tausta, jossa tapahtumat tapahtuvat, vai onko aika suhteellista ja riippuvaista tapahtumista. Lisäksi ihmisten kokemuksellinen aika vaihtelee — keskittyminen, ikä ja tunnekokemukset vaikuttavat siihen, kuinka "pitkä" tai "pitkältä" aika tuntuu.

Yhteiskunnallisesti aika järjestää työelämän, koulutuksen, liikenteen ja kansainvälisen yhteistyön. Aikavyöhykkeiden, kesäajan käytön ja kalenterijärjestelmien sovittaminen ovat esimerkkejä siitä, miten aika on sekä luonnonilmiö että sopimus, jota säätelemme arjessa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on aika?

K: Miten voimme mitata aikaa?

K: Mitä ihmiset kehittivät muinaisina aikoina pitääkseen kirjaa vuoden päivien lukumäärästä?

K: Mitä muinaisajan ihmiset kehittivät mittaamaan päivää pienempiä aikoja?

K: Kuinka tarkasti kellot voivat mitata aikaa nykyään?

K: Mitä kutsutaan ajan mittaamisen tutkimukseksi?

K: Mikä on ajan SI-yksikkö?

Hae kirjaimella