”Ajan nuolella” tarkoitetaan aikaan sisältyvää epäsymmetriaa; menneisyys ja tulevaisuus tuntuvat eroavan toisistaan monin olennaisin tavoin. Esimerkiksi kananmuna on helppo rikkoa heittämällä se lattialle. Emme koskaan näe päinvastaista tapahtumaa, jossa rikkoutunut kananmuna pomppaisi lattialta ja eheytyisi. Asian tekee kummalliseksi se, että fysiikan peruslait näyttävät ajan suhteen symmetrisiltä; jokainen alkeishiukkasten vuorovaikutus voisi periaatteessa tapahtua myös päinvastaisessa aikajärjestyksessä. Jos ajan suunnalla ei todellakaan ole perimmäistä merkitystä, miksi arkisessa todellisuudessamme menneisyys ja tulevaisuus poikkeavat näin suuresti toisistaan?

 

Ajan nuolia on monia erilaisia. Me kaikki törmäämme päivittäin muistojen nuoleen; muistamme menneisyyden, mutta emme tulevaisuutta. Muistojen nuoli liittyy laajemminkin havaittavaan tiedon nuoleen; meillä on paljon enemmän tietoa menneisyydestä kuin tulevaisuudesta. Tiedämme I maailmansodan alkaneen 28. 7. 1914, mutta meillä ei ole juurikaan arvauksia parempaa tietoa siitä, tuleeko III maailmansota syttymään esimerkiksi vuoden 2015 aikana.

 

Selitysten nuolella tarkoitetaan kykyämme selittää tulevaisuutta menneisyyden avulla. Esimerkiksi II maailmasodan syttyminen tuntuu luontevalta selittää Hitlerin valtaannousun avulla. Kovin monelle ei juolahtaisi mieleen selittää Hitlerin valtaannousua II maailmansodan syttymisellä.

 

Mahdollisuuksien nuolella tarkoitetaan vaikutelmaamme, että tulevaisuus on täynnä avoimia mahdollisuuksia, kun taas menneisyys on ”lukkoon lyöty”. Tähän liittyy vaikuttamisen nuoli; koemme pystyvämme vaikuttamaan tulevaisuuteen, mutta emme menneisyyteen.

 

Vaikuttamisen nuolelle läheistä sukua on kausaliteetin nuoli; syy näyttää sijaitsevan ajassa aina ennen seurausta. Tuntuu äärimmäisen vaikealle käsittää kuinka kausaliteetin nuoli voisi olla olematta todellinen. Jos tiedämme seriffin kuolleen ennen kuin lainsuojaton laukaisi revolverinsa, kenellekään ei juolahtaisi mieleen syyttää lainsuojatonta seriffin kuolemasta. Mutta toisaalta syy-yhteydet näyttäisivät perustuvan luonnonlakeihin – jotka eivät tee olennaista eroa menneisyyden ja tulevaisuuden välille.

 

Kontrafaktuaalinen nuoli liittyy tapaamme hahmottaa erilaisia vaihtoehtoisia tapahtumien kulkuja. Oletetaan esimerkiksi, että Hannu Hanhi kokee automatkallaan viivytyksen renkaan puhjetessa. Päästessään vihdoin jatkamaan matkaansa hän saapuu sillalle ja saa kuulla olevansa miljoonas sillan ylittäjä. Kuitatessaan mittavan palkkiosumman hän varmaan kiittää hyvää tuuriaan; jos rengas ei olisi puhjennut, hän olisi saapunut sillalle ennen kuin miljoona ylittäjää ovat täynnä. Mutta tilanteen voisi yhtä hyvin hahmottaa päinvastaisena; jos Hannu ei olisi kokenut rengasrikkoa, hän olisi lähtenyt kotoaan myöhemmin, jolloin hän olisi myös ilman rengasrikkoa ehtinyt sillalle vastaanottamaan palkinnon. Jälkimmäinen tulkinta kuitenkin tuntuu mahdolliselta korkeintaan Aku Ankan taskukirjoissa.

 

Näiden arkipäiväisten nuolten lisäksi moderni tiede on paljastanut erilaisia kätketympiä ajan nuolia. Termodynaamisella nuolella tarkoitetaan entropian (epäjärjestyksen) lisääntymistä. Polttaessamme nuotiota puun atomit leviävät epäjärjestyksessä ympäri ilmakehää. Samalla käyttökelpoinen energia vähenee halkopinon huvetessa. Termodynaaminen nuoli juontaa juurensa alkuräjähdyksen ensi hetkiin, jolloin maailmankaikkeus oli jostain tuntemattomasta syystä äärimmäisen matalan entropian tilassa. Alkuräjähdyksen matalan entropian selittäminen on eräs suurimpia ratkeamattomia ongelmia tämän päivän fysiikassa ja kosmologiassa.

 

Sähkömagneettinen nuoli voidaan ehkä tulkita termodynaamisen nuolen erityistapaukseksi. Sähkömagneettinen säteily leviää aina poispäin säteilylähteestä, tiivistymättä enää koskaan uudelleen yhteen pisteeseen. Ei ole olemassa valoa imeviä lamppuja tai radioaaltoja imeviä antenneja.

 

Kompleksisuuden nuoli näyttää ikäänkuin termodynaamisen nuolen peilikuvalta. Vaikka maailmankaikkeuden epäjärjestys kokonaisuutena lisääntyy, maailmankaikkeudessa syntyy paikallisesti monimutkaista järjestystä sisältäviä ilmiöitä. Yksinkertainen esimerkki kompleksisuudesta ovat kuurankukat, joita syntyy pakkaspäivinä ikkunalasiin, lämpöenergian virratessa korkeammasta lämpötilasta matalampaan. Kompleksisuuden synty yleensäkin liittyy lämmön virtaukseen jonkin rajapinnan läpi. Esimerkiksi Maapallon pinta vastaanottaa lyhytaaltoista säteilyenergiaa Auringon kuumuudesta ja luovuttaa energian pitkäaaltoisena säteilynä avaruuden kylmyyteen.

 

Samoin kuin entropia, myös kompleksisuus näyttää lisääntyvän ajan kuluessa. Kun tarkastelemme Maapallon pintaa asuttavien eliölajien suunnatonta monimuotoisuutta, on helppo päätellä maailmankaikkeuden elävän kompleksisuuden kultakauttaan. Kaukaisessa tulevaisuudessa kompleksisuus kuitenkin kääntyy laskuun. Tähtien sammuessa ja kaiken aineen hajotessa viimeisetkin kompleksisuuden rippeet hukkuvat entropiaan; elämää tai mitään muitakaan mutkikkaita rakenteita ei voi enää olla olemassa.

 

Entropian ohella eräs modernin fysiikan suuria avoimia kysymyksiä on kompleksisuuden käyttäytyminen; ohjaako sitä jokin täsmällisesti määriteltävä luonnonlaki, samoin kuin termodynamiikan II pääsääntö ohjaa entropian käyttäytymistä? Jos tällainen luonnonlaki joskus löydetään, saatamme saada valaistusta kysymyksiin elämän synnystä ja sen yleisyydestä maailmankaikkeudessa.