Aika on kaikille tuttu, mutta sitä on vaikea määritellä ja ymmärtää. Tieteellä, filosofialla, uskonnolla ja taiteilla on erilaiset ajan määritelmät, mutta sen mittausjärjestelmä on suhteellisen johdonmukainen.
Kellot perustuvat sekunteihin, minuutteihin ja tunteihin. Näiden yksiköiden perusta on muuttunut historian aikana, mutta ne jäljittävät juurensa muinaiseen Sumeriaan. Nykyaikainen kansainvälinen aikayksikkö, toinen, määritellään cesiumatom. Mutta mitä tarkalleen on aika?
Fyysikot määrittelevät ajan tapahtumien etenemisestä menneisyydestä nykyisyyteen tulevaisuuteen. Periaatteessa, jos järjestelmä ei muutu, se on ajaton. Aikaa voidaan pitää todellisuuden neljäntenä ulottuvuutena, jota käytetään kuvaamaan tapahtumia kolmiulotteisessa tilassa. Se ei ole jotain mitä voimme nähdä, koskettaa tai maistaa, mutta voimme mitata sen kulkua.
Fysiikan yhtälöt toimivat yhtä hyvin, liikkuu aika eteenpäin tulevaisuuteen (positiivinen aika) vai taaksepäin menneisyyteen (negatiivinen aika.) Ajalla luonnollisessa maailmassa on kuitenkin yksi suunta, nimeltään
ajan nuoli. Kysymys siitä, miksi aika on peruuttamaton, on yksi suurimmista ratkaisemattomista kysymyksistä tieteessä.Yksi selitys on, että luonnollinen maailma noudattaa termodynamiikan lakeja. termodynamiikan toinen laki toteaa, että suljetussa järjestelmässä järjestelmän entroopia pysyy vakiona tai kasvaa. Jos maailmankaikkeutta pidetään suljettuna järjestelmänä, sen entropia (häiriöaste) ei voi koskaan vähentyä. Toisin sanoen maailmankaikkeus ei voi palata täsmälleen samaan tilaan, jossa se oli aikaisemmassa vaiheessa. Aika ei voi siirtyä taaksepäin.
Klassisessa mekaniikassa aika on sama kaikkialla. Synkronoidut kellot ovat sopimuksessa. Einsteinin erityisestä ja yleisestä suhteellisuudesta tiedämme kuitenkin, että aika on suhteellinen. Se riippuu tarkkailijan viitekehyksestä. Tämä voi johtaa ajan dilaatio, jossa tapahtumien välinen aika tulee pidemmäksi (laajentuneeksi), sitä lähemmäksi matka kulkee valon nopeuteen. Liikkuvat kellot toimivat hitaammin kuin paikallaan olevat kellot, vaikutus muuttuu selvemmäksi liikkuvan kellon lähestyessä valonnopeus. Kellot suihkukoneissa tai kiertoradalla tallentavat aikaa hitaammin kuin maan päällä, kuonihiukkaset rappeutua hitaammin pudotettaessa, ja Michelson-Morley-koe vahvistettu pituuden supistuminen ja ajan dilaatio.
Aikamatka tarkoittaa liikkumista eteenpäin tai taaksepäin eri ajankohtiin, aivan kuten saatat liikkua avaruuden eri pisteiden välillä. Hyppy eteenpäin tapahtuu luonnossa. Kansainvälisen avaruusaseman astronautit hyppäävät eteenpäin ajassaan palatessaan Maahan, koska se liikkuu hitaammin asemaan nähden.
Ajatus matkustaa ajassa taaksepäinkuitenkin aiheuttaa ongelmia. Yksi kysymys on syy-yhteys tai syy ja seuraus. Aika taaksepäin voi aiheuttaa ajallisen paradoksin. "Isoisän paradoksi" on klassinen esimerkki. Paradoksin mukaan, jos matkustat ajassa taaksepäin ja tappaa isoisäsi ennen äitisi tai isäsi syntymää, voisit estää oman syntymän. Monet fyysikot uskovat, että aikamatka menneisyyteen on mahdotonta, mutta ajalliseen paradoksiin on ratkaisuja, kuten matkustaminen välillä rinnakkaisuniversumit tai haarakohdat.
Ihmisen aivot on varustettu seuraamaan aikaa. Aivojen suprakiasmaattiset ytimet ovat alue, joka vastaa päivittäisistä tai vuorokausirytmeistä. Mutta välittäjät ja lääkkeet vaikuttavat ajan havaintoihin. Kemikaalit, jotka herättävät hermosoluja, joten ne tulevat normaalia nopeammin, nopeuttavat aikaa, kun taas neuronien vähentynyt ampuminen hidastaa ajan havaitsemista. Periaatteessa, kun aika näyttää nopeutuvan, aivot erottavat useammat tapahtumat tietyn ajan kuluessa. Tässä suhteessa aika todella näyttää lentävän, kun hauskaa.
Aika näyttää hidastuvan hätätilanteiden tai vaaratilanteiden aikana. Houstonin Baylorin lääketieteellisen korkeakoulun tutkijat sanovat, että aivot eivät todellakaan kiihdytä, mutta amygdala aktivoituu. Amygdala on aivojen alue, joka tekee muistoja. Kun lisää muistoja muodostuu, aika näyttää kuluneelta.
Sama ilmiö selittää sen, miksi ikääntyvät ihmiset näkevät ajan liikkuvan nopeammin kuin kun he olivat nuorempia. Psykologien mielestä aivot muodostavat enemmän muistoja uusista kokemuksista kuin tuttuja. Koska vähemmän uusia muistoja rakennetaan myöhemmin elämässä, aika näyttää kuluneen nopeammin.
Universumin suhteen aika oli alku. Lähtökohta oli 13,799 miljardia vuotta sitten, kun Alkuräjähdys tapahtunut. Voimme mitata kosmista tausta säteilyä mikroaalloina isosta räjähdyksestä, mutta aikaisemmin lähtöisin olevaa säteilyä ei ole. Yksi argumentti ajan alkuperälle on se, että jos se jatkuu taaksepäin ääretömästi, yötaivas olisi täynnä vanhempien tähtien valoa.
Loppuuko aika? Vastausta tähän kysymykseen ei tunneta. Jos maailmankaikkeus laajenee ikuisesti, aika jatkuu. Jos tapahtuu uusi iso räjähdys, aikajana päättyisi ja uusi alkaisi. Hiukkasfysiikkakokeissa satunnaiset hiukkaset syntyvät tyhjiöstä, joten ei vaikuta todennäköiseltä, että maailmankaikkeudesta tulisi staattinen tai ajaton. Vain aika näyttää.