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.Runes, Dagobert: Dictionary of Philosophy, s. 318.

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.