Mis on Aeg Ja Kas See Liigub Alati edasi?

Kujutage ette, et aeg jookseb tagurpidi. Inimesed muutuksid vanemaealiste asemel nooremaks ja pärast pikka järk-järgulise noorenemise elu – jättes õppimise kõik, mida nad teavad – lõpeksid nad kui sära oma vanemate silmis. Seda aega on kujutatud ulmekirjaniku Philip K Dicki romaanis, kuid üllataval kombel on aja suund ka probleem, millega kosmoloogid maadlevad.

Kuigi me peame enesestmõistetavaks, et ajal on teatud suund, füüsikud seda ei tee: enamik loodusseadusi on "ajaliselt pöörduvad", mis tähendab, et need toimiksid sama hästi, kui aega määratletaks kui tagurpidi jooksmist. Miks siis aeg alati edasi liigub? Ja kas see teeb seda alati?

Kas ajal on algus?

Iga universaalne ajakontseptsioon peab lõpuks põhinema kosmose enda arengul. Kui vaatate universumi poole, näete minevikus toimunud sündmusi – meieni jõudmiseks kulub aega. Tegelikult võib isegi kõige lihtsam vaatlus aidata meil mõista kosmoloogilist aega: näiteks asjaolu, et öötaevas on tume. Kui universumil oleks lõpmatu minevik ja see oleks lõpmatu ulatusega, oleks öine taevas täiesti hele – täidetud lõpmatu arvu tähtede valgusega kosmoses, mis on alati eksisteerinud.

Teadlased, sealhulgas Albert Einstein, arvasid pikka aega, et universum on staatiline ja lõpmatu. Vaatlused on sellest ajast alates näidanud, et see tegelikult laieneb ja kiireneb. See tähendab, et see pidi pärinema kompaktsemast olekust, mida me nimetame Suureks Pauguks, mis tähendab, et ajal on algus. Tegelikult, kui otsime piisavalt vana valgust, näeme isegi Suure Paugu reliktkiirgust – kosmilist mikrolaine tausta. Selle mõistmine oli esimene samm universumi vanuse määramisel (vt allpool).

Kuid on üks tõrks, Einsteini erirelatiivsusteooria, mis näitab, et aeg on … suhteline: mida kiiremini te minu suhtes liigute, seda aeglasemalt teie jaoks aeg minu ajataju suhtes möödub. Nii et meie laienevate galaktikate, pöörlevate tähtede ja keerlevate planeetide universumis on ajakogemused erinevad: kõik minevik, olevik ja tulevik on suhtelised.

Kas on olemas universaalne aeg, milles me kõik võiksime kokku leppida?

Universumi ajaskaala. Disain Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Selgub, et kuna universum on igal pool keskmiselt ühesugune ja keskmiselt igas suunas ühesugune välja, eksisteerib "kosmiline aeg". Selle mõõtmiseks peame mõõtma vaid kosmilise mikrolaine tausta omadusi. Kosmoloogid on seda kasutanud universumi vanuse määramiseks; selle kosmiline vanus. Selgub, et universum on 13,799 miljardit aastat vana.

Aja nool

Seega teame, et aeg algas suure tõenäosusega Suure Paugu ajal. Jääb aga üks näriv küsimus, mis täpselt on aeg?

Selle küsimuse lahtipakkimiseks peame vaatama ruumi ja aja põhiomadusi. Ruumi mõõtmes saab liikuda edasi ja tagasi; pendeldajad kogevad seda iga päev. Aga aeg on erinev, sellel on suund, sa liigud alati edasi, mitte kunagi tagurpidi. Miks on siis aja mõõde pöördumatu? See on üks suuremaid lahendamata probleeme füüsikas.

Selgitamaks, miks aeg ise on pöördumatu, peame leidma looduses protsessid, mis on samuti pöördumatud. Üks väheseid selliseid mõisteid füüsikas (ja elus!) on see, et asjad kipuvad aja möödudes vähem "korrastama". Kirjeldame seda füüsilise omaduse, mida nimetatakse entroopiaks, abil, mis kodeerib, kui korras miski on.

Kujutage ette gaasikasti, milles kõik osakesed olid algselt paigutatud ühte nurka (korrastatud olek). Aja jooksul püüavad nad loomulikult täita kogu kasti (korrata olek) – ja osakeste korrastatud olekusse viimine nõuaks energiat. See on pöördumatu. See on nagu omleti valmistamiseks muna lahti löömine – kui see laiali valgub ja panni täidab, ei muutu see enam kunagi munakujuliseks. Universumiga on sama lugu: selle arenedes suureneb üldine entroopia.

Kahjuks see ei puhasta ennast. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Selgub, et entroopia on päris hea viis aja noole selgitamiseks. Ja kuigi võib tunduda, et universum muutub pigem järjestatumaks kui vähemaks – liikudes suhteliselt ühtlaselt jaotatud kuuma gaasiga metsikust merest oma varajases staadiumis tähtede, planeetide, inimeste ja ajaartikliteni – on siiski võimalik, et selle korratus suureneb. Selle põhjuseks on asjaolu, et suurte massidega seotud gravitatsioon võib viia mateeria näiliselt korrastatud olekutesse – häirete suurenemine, mis meie arvates pidi aset leidma, on kuidagi gravitatsiooniväljadesse peidetud. Seega võib häire suureneda, kuigi me seda ei näe.

Kuid arvestades looduse kalduvust eelistada korralagedust, miks sai universum üldse alguse sellises korrastatud olekus? Seda peetakse siiani mõistatuseks. Mõned teadlased väidavad, et Suur Pauk ei pruukinud isegi olla algus, tegelikult võib olla "paralleeluniversumeid", kus aeg jookseb eri suundades.

Kas aeg saab otsa?

Ajal oli algus, kuid kas sellel on lõpp, sõltub selle tumeenergia olemusest, mis põhjustab selle kiireneva paisumise. Selle paisumise kiirus võib lõpuks universumi laiali rebida, sundides seda lõppema Suure Rebendiga; teise võimalusena võib tumeenergia laguneda, pöörates Suure Paugu ümber ja lõpetades universumi suure krõpsuga; või Universum võib lihtsalt igaveseks paisuda.

Kuid kas mõni neist tulevikustsenaariumitest lõpetaks aja? Noh, vastavalt kvantmehaanika kummalistele reeglitele võivad pisikesed juhuslikud osakesed hetkeks vaakumist välja hüpata – seda on osakestefüüsika katsetes pidevalt näha. Mõned on väitnud, et tume energia võib põhjustada selliseid "kvantide kõikumisi", mis põhjustavad uue Suure Paugu, lõpetades meie ajajoone ja alustades uut. Kuigi see on äärmiselt spekulatiivne ja väga ebatõenäoline, teame, et ainult siis, kui mõistame tumeenergiat, saame teada universumi saatusest.

Mis on siis kõige tõenäolisem tulemus? Eks aeg näitab.