Τι είναι ο χρόνος και προχωρά πάντα μπροστά;

Φανταστείτε τον χρόνο να τρέχει προς τα πίσω. Οι άνθρωποι θα γίνονταν νεότεροι αντί να γερνούν και, μετά από μια μακρά ζωή σταδιακής αναζωογόνησης – ξεμάθοντας όλα όσα ξέρουν – θα τελείωναν σαν μια λάμψη στα μάτια των γονιών τους. Αυτή είναι η εποχή που αναπαρίσταται σε ένα μυθιστόρημα του συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας Philip K Dick, αλλά, παραδόξως, η κατεύθυνση του χρόνου είναι επίσης ένα θέμα με το οποίο παλεύουν οι κοσμολόγοι.

Ενώ θεωρούμε δεδομένο ότι ο χρόνος έχει μια δεδομένη κατεύθυνση, οι φυσικοί δεν το έχουν: οι περισσότεροι φυσικοί νόμοι είναι «αναστρέψιμοι στον χρόνο», πράγμα που σημαίνει ότι θα λειτουργούσαν εξίσου καλά αν ο χρόνος οριζόταν ότι τρέχει προς τα πίσω. Γιατί λοιπόν ο χρόνος προχωρά πάντα μπροστά; Και θα το κάνει πάντα;

Ο χρόνος έχει αρχή;

Οποιαδήποτε καθολική έννοια του χρόνου πρέπει τελικά να βασίζεται στην εξέλιξη του ίδιου του Κόσμου. Όταν κοιτάζετε ψηλά στο σύμπαν, βλέπετε γεγονότα που συνέβησαν στο παρελθόν – χρειάζεται χρόνος φωτός για να φτάσετε σε εμάς. Στην πραγματικότητα, ακόμη και η πιο απλή παρατήρηση μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τον κοσμολογικό χρόνο: για παράδειγμα το γεγονός ότι ο νυχτερινός ουρανός είναι σκοτεινός. Εάν το σύμπαν είχε ένα άπειρο παρελθόν και ήταν άπειρη σε έκταση, ο νυχτερινός ουρανός θα ήταν εντελώς φωτεινός – γεμάτος με το φως από έναν άπειρο αριθμό άστρων σε ένα σύμπαν που πάντα υπήρχε.

Για πολύ καιρό οι επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του Άλμπερτ Αϊνστάιν, πίστευαν ότι το σύμπαν ήταν στατικό και άπειρο. Οι παρατηρήσεις έδειξαν έκτοτε ότι στην πραγματικότητα επεκτείνεται και με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να προήλθε από μια πιο συμπαγή κατάσταση που ονομάζουμε Big Bang, υπονοώντας ότι ο χρόνος έχει μια αρχή. Στην πραγματικότητα, αν αναζητήσουμε φως που είναι αρκετά παλιό, μπορούμε να δούμε ακόμη και την ακτινοβολία λειψάνων από τη Μεγάλη Έκρηξη - το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Η συνειδητοποίηση αυτού ήταν ένα πρώτο βήμα για τον προσδιορισμό της ηλικίας του σύμπαντος (βλ. παρακάτω).

Αλλά υπάρχει ένα εμπόδιο, η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, δείχνει ότι ο χρόνος είναι… σχετικός: όσο πιο γρήγορα κινείστε σε σχέση με εμένα, τόσο πιο αργός θα περάσει ο χρόνος για εσάς σε σχέση με την αντίληψή μου για το χρόνο. Έτσι, στο σύμπαν μας με τους διαστελλόμενους γαλαξίες, τα στροβιλιζόμενα αστέρια και τους στροβιλιζόμενους πλανήτες μας, οι εμπειρίες του χρόνου ποικίλλουν: όλα είναι παρελθόν, παρόν και μέλλον είναι σχετικά.

Υπάρχει, λοιπόν, ένας παγκόσμιος χρόνος στον οποίο θα μπορούσαμε να συμφωνήσουμε όλοι ;

Το χρονοδιάγραμμα του σύμπαντος. Σχεδιασμός Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Αποδεικνύεται ότι επειδή το σύμπαν είναι κατά μέσο όρο το ίδιο παντού, και κατά μέσο όρο φαίνεται το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση, υπάρχει πράγματι ένας «κοσμικός χρόνος». Για να το μετρήσουμε, το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να μετρήσουμε τις ιδιότητες του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Οι κοσμολόγοι το έχουν χρησιμοποιήσει για να προσδιορίσουν την ηλικία του σύμπαντος. την κοσμική του ηλικία. Αποδεικνύεται ότι το σύμπαν είναι ηλικίας 13,799 δισεκατομμυρίων ετών.

Το βέλος του χρόνου

Ξέρουμε λοιπόν ότι ο χρόνος πιθανότατα ξεκίνησε κατά τη διάρκεια του Big Bang. Αλλά υπάρχει ένα ενοχλητικό ερώτημα που παραμένει: τι ακριβώς είναι ο χρόνος;

Για να αποσυσκευαστεί αυτή η ερώτηση, πρέπει να δούμε τις βασικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου. Στη διάσταση του χώρου, μπορείτε να κινηθείτε προς τα εμπρός και προς τα πίσω. οι μετακινούμενοι το βιώνουν αυτό καθημερινά. Ο χρόνος όμως είναι διαφορετικός, έχει κατεύθυνση, προχωράς πάντα μπροστά, ποτέ αντίστροφα. Γιατί λοιπόν η διάσταση του χρόνου είναι μη αναστρέψιμη; Αυτό είναι ένα από τα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα στη φυσική.

Για να εξηγήσουμε γιατί ο ίδιος ο χρόνος είναι μη αναστρέψιμος, πρέπει να βρούμε διαδικασίες στη φύση που είναι επίσης μη αναστρέψιμες. Μία από τις λίγες τέτοιες έννοιες στη φυσική (και τη ζωή!) είναι ότι τα πράγματα τείνουν να γίνονται λιγότερο «τακτοποιημένα» όσο περνάει ο καιρός. Το περιγράφουμε αυτό χρησιμοποιώντας μια φυσική ιδιότητα που ονομάζεται εντροπία που κωδικοποιεί πόσο διατεταγμένο είναι κάτι.

Φανταστείτε ένα κουτί αερίου στο οποίο όλα τα σωματίδια ήταν αρχικά τοποθετημένα σε μια γωνία (μια διατεταγμένη κατάσταση). Με την πάροδο του χρόνου θα επιδίωκαν φυσικά να γεμίσουν ολόκληρο το κουτί (μια άτακτη κατάσταση) - και για να επαναφέρουν τα σωματίδια σε μια τακτοποιημένη κατάσταση θα απαιτούσε ενέργεια. Αυτό είναι μη αναστρέψιμο. Είναι σαν να τσακίζεις ένα αυγό για να φτιάξεις μια ομελέτα – μόλις απλωθεί και γεμίσει το τηγάνι, δεν θα ξαναγίνει ποτέ σε σχήμα αυγού. Το ίδιο συμβαίνει και με το σύμπαν: καθώς εξελίσσεται, η συνολική εντροπία αυξάνεται.

Δυστυχώς αυτό δεν πρόκειται να καθαριστεί από μόνο του. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Αποδεικνύεται ότι η εντροπία είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να εξηγήσουμε το βέλος του χρόνου. Και ενώ μπορεί να φαίνεται ότι το σύμπαν γίνεται περισσότερο τακτοποιημένο παρά λιγότερο - πηγαίνοντας από μια άγρια ​​θάλασσα σχετικά ομοιόμορφα διασκορπισμένου καυτού αερίου στα πρώτα της στάδια σε αστέρια, πλανήτες, ανθρώπους και άρθρα για τον χρόνο - είναι εντούτοις πιθανό να αυξάνεται σε αταξία. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρύτητα που σχετίζεται με μεγάλες μάζες μπορεί να έλκει την ύλη σε φαινομενικά διατεταγμένες καταστάσεις – με την αύξηση της αταξίας που πιστεύουμε ότι πρέπει να έχει λάβει χώρα να κρύβεται με κάποιο τρόπο στα βαρυτικά πεδία. Έτσι, η διαταραχή θα μπορούσε να αυξάνεται, παρόλο που δεν το βλέπουμε.

Αλλά δεδομένης της τάσης της φύσης να προτιμά την αταξία, γιατί το σύμπαν ξεκίνησε εξαρχής σε μια τέτοια διατεταγμένη κατάσταση; Αυτό εξακολουθεί να θεωρείται μυστήριο. Μερικοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι η Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να μην ήταν καν η αρχή, μπορεί στην πραγματικότητα να υπάρχουν «παράλληλα σύμπαντα» όπου ο χρόνος τρέχει σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Θα τελειώσει ο χρόνος;

Ο χρόνος είχε μια αρχή, αλλά το αν θα έχει ένα τέλος εξαρτάται από τη φύση της σκοτεινής ενέργειας που τον αναγκάζει να διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Ο ρυθμός αυτής της διαστολής μπορεί τελικά να διαλύσει το σύμπαν, αναγκάζοντάς το να καταλήξει σε ένα Big Rip. Εναλλακτικά, η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αποσυντεθεί, αντιστρέφοντας τη Μεγάλη Έκρηξη και τελειώνοντας το Σύμπαν σε μια Μεγάλη Κρούση. ή το Σύμπαν μπορεί απλώς να επεκτείνεται για πάντα.

Αλλά οποιοδήποτε από αυτά τα μελλοντικά σενάρια θα έληγε στον χρόνο; Λοιπόν, σύμφωνα με τους περίεργους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, μικροσκοπικά τυχαία σωματίδια μπορούν στιγμιαία να βγουν από το κενό – κάτι που παρατηρείται συνεχώς σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής. Κάποιοι έχουν υποστηρίξει ότι η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να προκαλέσει τέτοιες «κβαντικές διακυμάνσεις» που προκαλούν μια νέα Μεγάλη Έκρηξη, τερματίζοντας τη χρονική μας γραμμή και ξεκινώντας μια νέα. Αν και αυτό είναι εξαιρετικά εικαστικό και εξαιρετικά απίθανο, αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι μόνο όταν καταλάβουμε τη σκοτεινή ενέργεια θα μάθουμε τη μοίρα του σύμπαντος.

Ποιο είναι λοιπόν το πιο πιθανό αποτέλεσμα; Μόνο ο χρόνος θα δείξει.