Co Je čas a Jde vždy dopředu?

Představte si, že čas běží pozpátku. Lidé by místo stárnutí mládli a po dlouhém životě postupného omlazování – odnaučení se všeho, co znají – by skončili jako jiskra v očích rodičů. To je čas, jak je znázorněn v románu spisovatele sci-fi Philipa K Dicka, ale směřování času je překvapivě také problémem, se kterým se kosmologové potýkají.

Zatímco my považujeme za samozřejmé, že čas má daný směr, fyzici ne: většina přírodních zákonů je „časově vratná“, což znamená, že by fungovaly stejně dobře, kdyby byl čas definován jako běžící pozpátku. Proč tedy čas jde vždy dopředu? A bude to tak vždy?

Má čas začátek?

Jakékoli univerzální pojetí času musí být nakonec založeno na vývoji samotného kosmu. Když se podíváte nahoru na vesmír, vidíte události, které se staly v minulosti – trvá to světlo, než se k nám dostane. Ve skutečnosti nám i to nejjednodušší pozorování může pomoci pochopit kosmologický čas: například skutečnost, že noční obloha je tmavá. Pokud by vesmír měl nekonečnou minulost a byl by nekonečný, noční obloha by byla zcela jasná – naplněná světlem z nekonečného počtu hvězd ve vesmíru, který vždy existoval.

Vědci, včetně Alberta Einsteina, si dlouhou dobu mysleli, že vesmír je statický a nekonečný. Pozorování od té doby ukázala, že se ve skutečnosti rozšiřuje a zrychluje se. To znamená, že musel pocházet z kompaktnějšího stavu, který nazýváme Velký třesk, což znamená, že čas má počátek. Ve skutečnosti, když hledáme světlo, které je dostatečně staré, můžeme dokonce vidět reliktní záření z Velkého třesku – kosmické mikrovlnné pozadí. Uvědomění si toho byl prvním krokem k určení stáří vesmíru (viz níže).

Ale je tu jeden háček, Einsteinova speciální teorie relativity, která ukazuje, že čas je … relativní: čím rychleji se vůči mně pohybujete, tím pomaleji vám čas uběhne ve srovnání s mým vnímáním času. Takže v našem vesmíru rozpínajících se galaxií, rotujících hvězd a vířících planet se zkušenosti s časem liší: minulost, přítomnost a budoucnost je relativní.

Existuje tedy univerzální čas, na kterém bychom se mohli všichni shodnout?

Časová osa vesmíru. Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Ukazuje se, že protože vesmír je v průměru všude stejný a v průměru vypadá ve všech směrech stejně, existuje „kosmický čas“. K jeho měření nám stačí změřit vlastnosti kosmického mikrovlnného pozadí. Kosmologové toho využili k určení stáří vesmíru; svého kosmického věku. Ukazuje se, že vesmír je starý 13,799 miliardy let.

Časová šipka

Takže víme, že čas s největší pravděpodobností začal během Velkého třesku. Zůstává však jedna tíživá otázka: co přesně je čas?

Abychom tuto otázku rozbalili, musíme se podívat na základní vlastnosti prostoru a času. V dimenzi prostoru se můžete pohybovat vpřed a vzad; dojíždějící lidé to zažívají každý den. Doba je ale jiná, má směr, jdeš pořád dopředu, nikdy ne zpět. Proč je tedy rozměr času nevratný? Toto je jeden z hlavních nevyřešených problémů ve fyzice.

Abychom vysvětlili, proč je čas sám o sobě nevratný, musíme v přírodě najít procesy, které jsou také nevratné. Jedním z mála takových konceptů ve fyzice (a v životě!) je, že věci mají tendenci být s postupem času méně „uklizené“. Popisujeme to pomocí fyzické vlastnosti zvané entropie, která kóduje, jak je něco uspořádané.

Představte si krabici plynu, ve které byly všechny částice původně umístěny v jednom rohu (uspořádaný stav). Postupem času by se přirozeně snažili zaplnit celou krabici (neuspořádaný stav) – a uvedení částic zpět do uspořádaného stavu by vyžadovalo energii. To je nevratné. Je to jako když rozklepnete vejce a uděláte omeletu – jakmile se rozteče a naplní pánev, už se nikdy nevrátí do tvaru vejce. S vesmírem je to stejné: jak se vyvíjí, celková entropie roste.

To se bohužel samo nevyčistí. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Ukázalo se, že entropie je docela dobrý způsob, jak vysvětlit šipku času. A i když se může zdát, že se vesmír stává spíše uspořádaným než méně – přechází z divokého moře relativně rovnoměrně rozprostřeného horkého plynu v jeho raných stádiích ke hvězdám, planetám, lidem a článkům o čase – je nicméně možné, že jeho nepořádek narůstá. Je to proto, že gravitace spojená s velkými hmotami může stahovat hmotu do zdánlivě uspořádaných stavů – přičemž nárůst neuspořádanosti, o kterém si myslíme, že musel proběhnout, je nějak skrytý v gravitačních polích. Takže nepořádek může narůstat, i když to nevidíme.

Ale vzhledem k tendenci přírody preferovat nepořádek, proč vesmír vůbec začal v tak uspořádaném stavu? To je stále považováno za záhadu. Někteří badatelé tvrdí, že Velký třesk možná ani nebyl začátkem, ve skutečnosti mohou existovat „paralelní vesmíry“, kde čas běží různými směry.

Skončí čas?

Čas měl začátek, ale to, zda bude mít konec, závisí na povaze temné energie, která způsobuje, že se zrychluje. Rychlost této expanze může nakonec roztrhat vesmír na kusy a donutit jej skončit velkým trháním; alternativně se temná energie může rozpadnout, zvrátit Velký třesk a ukončit vesmír ve Velkém Crunch; nebo se vesmír může jednoduše rozpínat navždy.

Ale skončil by některý z těchto budoucích scénářů čas? No, podle podivných pravidel kvantové mechaniky mohou drobné náhodné částice na okamžik vyskočit z vakua – něco, co je v experimentech částicové fyziky vidět neustále. Někteří tvrdili, že temná energie by mohla způsobit takové „kvantové fluktuace“ vedoucí k novému Velkému třesku, který ukončí naši časovou linii a začne novou. I když je to extrémně spekulativní a vysoce nepravděpodobné, víme, že teprve když pochopíme temnou energii, poznáme osud vesmíru.

Jaký je tedy nejpravděpodobnější výsledek? To ukáže až čas.