Hvad Er tid, Og bevæger Den Sig Altid fremad?

Forestil dig, at tiden løber baglæns. Folk ville blive yngre i stedet for ældre, og efter et langt liv med gradvis foryngelse – ved at aflære alt, hvad de ved – ville de ende som et glimt i deres forældres øjne. Det er tid som repræsenteret i en roman af science fiction-forfatteren Philip K Dick, men overraskende nok er tidens retning også et problem, som kosmologer kæmper med.

Selvom vi tager for givet, at tiden har en given retning, gør fysikere det ikke: de fleste naturlove er "tid reversible", hvilket betyder, at de ville fungere lige så godt, hvis tiden blev defineret som at løbe baglæns. Så hvorfor går tiden altid fremad? Og vil den altid gøre det?

Har tiden en begyndelse?

Ethvert universelt tidsbegreb må i sidste ende være baseret på udviklingen af ​​selve kosmos. Når du kigger op i universet, ser du begivenheder, der skete i fortiden - det tager let tid at nå os. Faktisk kan selv den enkleste observation hjælpe os med at forstå kosmologisk tid: for eksempel det faktum, at nattehimlen er mørk. Hvis universet havde en uendelig fortid og var uendelig i udstrækning, ville nattehimlen være fuldstændig lys – fyldt med lyset fra et uendeligt antal stjerner i et kosmos, der altid havde eksisteret.

I lang tid troede forskere, inklusive Albert Einstein, at universet var statisk og uendeligt. Observationer har siden vist, at den faktisk udvider sig og med en accelererende hastighed. Det betyder, at det må stamme fra en mere kompakt tilstand, som vi kalder Big Bang, hvilket antyder, at tiden har en begyndelse. Faktisk, hvis vi leder efter lys, der er gammelt nok, kan vi endda se relikviestrålingen fra Big Bang - den kosmiske mikrobølgebaggrund. At indse dette var et første skridt i at bestemme universets alder (se nedenfor).

Men der er en hage, Einsteins specielle relativitetsteori viser, at tiden er … relativ: jo hurtigere du bevæger dig i forhold til mig, jo langsommere vil tiden gå for dig i forhold til min opfattelse af tid. Så i vores univers af ekspanderende galakser, snurrende stjerner og hvirvlende planeter varierer tidsoplevelser: alts fortid, nutid og fremtid er relativ.

Så er der en universel tid, som vi alle kunne blive enige om?

Universets tidslinje. Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Det viser sig, at fordi universet i gennemsnit er det samme overalt, og i gennemsnit ser det samme ud i alle retninger, eksisterer der en "kosmisk tid". For at måle det skal vi kun måle egenskaberne af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Kosmologer har brugt dette til at bestemme universets alder; dens kosmiske tidsalder. Det viser sig, at universet er 13,799 milliarder år gammelt.

Tidens pil

Så vi ved, at tiden højst sandsynligt startede under Big Bang. Men der er et nagende spørgsmål, der står tilbage: hvad er tid egentlig?

For at udpakke dette spørgsmål er vi nødt til at se på de grundlæggende egenskaber ved rum og tid. I rummets dimension kan du bevæge dig frem og tilbage; pendlere oplever dette hver dag. Men tiden er anderledes, den har en retning, man bevæger sig altid fremad, aldrig baglæns. Så hvorfor er dimensionen af ​​tid irreversibel? Dette er et af de store uløste problemer i fysik.

For at forklare, hvorfor tiden i sig selv er irreversibel, er vi nødt til at finde processer i naturen, som også er irreversible. Et af de få sådanne begreber i fysik (og livet!) er, at tingene har en tendens til at blive mindre "ryddelige" som tiden går. Vi beskriver dette ved hjælp af en fysisk egenskab kaldet entropi, der koder for, hvor ordnet noget er.

Forestil dig en kasse med gas, hvori alle partiklerne oprindeligt blev placeret i et hjørne (en ordnet tilstand). Over tid ville de naturligvis søge at fylde hele kassen (en uordnet tilstand) - og at sætte partiklerne tilbage i en ordnet tilstand ville kræve energi. Dette er irreversibelt. Det er som at knække et æg for at lave en æggekage – når først den breder sig ud og fylder bradepanden, vil den aldrig blive ægformet igen. Det er det samme med universet: efterhånden som det udvikler sig, øges den samlede entropi.

Desværre kommer det ikke til at rydde op af sig selv. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Det viser sig, at entropi er en ret god måde at forklare tidens pil på. Og selvom det kan virke som om, at universet bliver mere ordnet i stedet for mindre – fra et vildt hav af relativt ensartet udbredt varm gas i dets tidlige stadier til stjerner, planeter, mennesker og artikler om tid – er det ikke desto mindre muligt, at det er stigende i uorden. Det er fordi tyngdekraften forbundet med store masser kan trække stof ind i tilsyneladende ordnede tilstande – med den stigning i uorden, som vi tror må have fundet sted, på en eller anden måde gemt væk i gravitationsfelterne. Så uorden kan være stigende, selvom vi ikke kan se det.

Men i betragtning af naturens tendens til at foretrække uorden, hvorfor startede universet i en sådan ordnet tilstand i første omgang? Dette betragtes stadig som et mysterium. Nogle forskere hævder, at Big Bang måske ikke engang var begyndelsen, der kan faktisk være "parallelle universer", hvor tiden løber i forskellige retninger.

Vil tiden ende?

Tiden havde en begyndelse, men om den vil have en ende afhænger af naturen af ​​den mørke energi, der får den til at udvide sig med en accelererende hastighed. Hastigheden af ​​denne ekspansion kan i sidste ende rive universet fra hinanden og tvinge det til at ende i en Big Rip; alternativt kan mørk energi henfalde, vende Big Bang og ende Universet i et Big Crunch; eller universet kan simpelthen udvide sig for evigt.

Men ville nogen af ​​disse fremtidige scenarier ende tiden? Nå, ifølge kvantemekanikkens mærkelige regler kan små tilfældige partikler et øjeblik springe ud af et vakuum - noget, der konstant ses i partikelfysiske eksperimenter. Nogle har hævdet, at mørk energi kunne forårsage sådanne "kvanteudsving", der giver anledning til et nyt Big Bang, der afslutter vores tidslinje og starter en ny. Selvom dette er ekstremt spekulativt og meget usandsynligt, så ved vi, at kun når vi forstår mørk energi, vil vi kende universets skæbne.

Så hvad er det mest sandsynlige resultat? Kun tiden vil vise.