Mitä Aika on Ja siirtyykö Se Aina eteenpäin?

Kuvittele aika juoksevan taaksepäin. Ihmiset nuoreutuisivat ikääntymisen sijaan, ja pitkän elämän jälkeen asteittain nuortuessaan – oppimatta kaikkea, mitä he tietävät – he päätyisivät pilkeeksi vanhempiensa silmissä. Se on aika, joka on esitetty tieteiskirjailija Philip K Dickin romaanissa, mutta yllättäen ajan suunta on myös ongelma, jonka kanssa kosmologit kamppailevat.

Vaikka pidämme itsestäänselvyytenä, että ajalla on tietty suunta, fyysikot eivät: useimmat luonnonlait ovat "ajassa palautuvia", mikä tarkoittaa, että ne toimisivat yhtä hyvin, jos aika määritellään juoksemiseksi taaksepäin. Joten miksi aika menee aina eteenpäin? Ja tekeekö se aina niin?

Onko ajalla alkua?

Kaikkien universaalien aikakäsitysten on lopulta perustuttava itse kosmoksen kehitykseen. Kun katsot universumiin, näet tapahtumia, jotka tapahtuivat menneisyydessä – kestää valon aikaa saavuttaa meidät. Itse asiassa yksinkertaisinkin havainto voi auttaa meitä ymmärtämään kosmologista aikaa: esimerkiksi se, että yötaivas on tumma. Jos universumilla olisi ääretön menneisyys ja se olisi laajuudeltaan ääretön, yötaivas olisi täysin kirkas – täynnä valoa äärettömästä määrästä tähtiä kosmoksessa, joka on aina ollut olemassa.

Tiedemiehet, mukaan lukien Albert Einstein, luulivat pitkään, että maailmankaikkeus on staattinen ja ääretön. Havainnot ovat sittemmin osoittaneet, että se itse asiassa laajenee ja kiihtyy. Tämä tarkoittaa, että sen on täytynyt syntyä tiiviimmästä tilasta, jota kutsumme alkuräjähdykseksi, mikä tarkoittaa, että ajalla on alku. Itse asiassa, jos etsimme tarpeeksi vanhaa valoa, voimme nähdä jopa alkuräjähdyksen jäännössäteilyn – kosmisen mikroaaltouunin taustan. Tämän ymmärtäminen oli ensimmäinen askel maailmankaikkeuden iän määrittämisessä (katso alla).

Mutta on olemassa hankaluus, Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria, joka osoittaa, että aika on ... suhteellista: mitä nopeammin liikut suhteessa minuun, sitä hitaammin aika kuluu sinulle suhteessa minun aikakäsitykseeni. Laajentuvien galaksien, pyörivien tähtien ja pyörivien planeettojen universumissamme ajan kokemukset vaihtelevat: kaiken menneisyys, nykyisyys ja tulevaisuus ovat suhteellisia.

Onko siis olemassa yleismaailmallista aikaa, josta voisimme kaikki olla yhtä mieltä?

Universumin aikajana. Suunnittelu Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Osoittautuu, että koska universumi on keskimäärin sama kaikkialla ja näyttää keskimäärin samalta joka suuntaan, on olemassa "kosminen aika". Sen mittaamiseksi meidän tarvitsee vain mitata kosmisen mikroaaltouunin taustan ominaisuuksia. Kosmologit ovat käyttäneet tätä määrittääkseen maailmankaikkeuden iän; sen kosminen aika. Osoittautuu, että maailmankaikkeus on 13,799 miljardia vuotta vanha.

Ajan nuoli

Joten tiedämme, että aika todennäköisimmin alkoi alkuräjähdyksen aikana. Mutta yksi närästävä kysymys jää: mitä aika tarkalleen on ?

Tämän kysymyksen purkamiseksi meidän on tarkasteltava tilan ja ajan perusominaisuuksia. Avaruuden ulottuvuudessa voit liikkua eteenpäin ja taaksepäin; työmatkalaiset kokevat tämän joka päivä. Mutta aika on erilainen, sillä on suunta, etenee aina eteenpäin, ei koskaan taaksepäin. Joten miksi ajan ulottuvuus on peruuttamaton? Tämä on yksi fysiikan suurimmista ratkaisemattomista ongelmista.

Selittääksemme, miksi aika itsessään on peruuttamaton, meidän on löydettävä luonnosta prosesseja, jotka ovat myös peruuttamattomia. Yksi harvoista tällaisista käsitteistä fysiikassa (ja elämässä!) on, että asiat muuttuvat vähemmän "siistiksi" ajan myötä. Kuvaamme tätä käyttämällä fyysistä ominaisuutta nimeltä entropia, joka koodaa, kuinka järjestetty jokin on.

Kuvittele kaasulaatikko, jossa kaikki hiukkaset oli alun perin sijoitettu yhteen nurkkaan (järjestetty tila). Ajan myötä ne luonnollisesti yrittäisivät täyttää koko laatikon (epäjärjestynyt tila) – ja hiukkasten palauttaminen järjestykseen vaatisi energiaa. Tämä on peruuttamatonta. Se on kuin rikoisit munaa munakkaaksi – kun se leviää ja täyttää paistinpannun, se ei enää koskaan palaa munan muotoiseksi. Sama koskee maailmankaikkeutta: sen kehittyessä kokonaisentropia kasvaa.

Valitettavasti se ei siivoa itsestään. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Osoittautuu, että entropia on melko hyvä tapa selittää ajan nuolta. Ja vaikka saattaakin vaikuttaa siltä, ​​että maailmankaikkeus on järjestynyt pikemminkin kuin vähemmän – siirtyy varhaisessa vaiheessaan suhteellisen tasaisesti levinneen kuuman kaasun villistä merestä tähdiksi, planeetoiksi, ihmisiksi ja ajasta koskeviin artikkeleihin – on kuitenkin mahdollista, että sen epäjärjestys lisääntyy. Tämä johtuu siitä, että suuriin massoihin liittyvä gravitaatio saattaa vetää ainetta näennäisesti järjestyneisiin tiloihin – ja epäjärjestyksen lisääntyminen, jonka uskomme täytyneen tapahtua, on jotenkin piilossa gravitaatiokentissä. Joten häiriö saattaa lisääntyä, vaikka emme näe sitä.

Mutta kun otetaan huomioon luonnon taipumus suosia epäjärjestystä, miksi maailmankaikkeus alun perin lähti liikkeelle niin järjestyneestä tilasta? Tätä pidetään edelleen mysteerinä. Jotkut tutkijat väittävät, että alkuräjähdys ei ehkä edes ollut alkua, vaan voi itse asiassa olla "rinnakkaisuniversumeita", joissa aika kulkee eri suuntiin.

Loppuuko aika?

Ajalla oli alku, mutta onko sillä loppu, riippuu sen pimeän energian luonteesta, joka saa sen laajenemaan kiihtyvällä nopeudella. Tämän laajenemisen nopeus voi lopulta repiä maailmankaikkeuden osiin ja pakottaa sen päätymään Big Rip:iin. vaihtoehtoisesti pimeä energia voi hajota, kääntäen alkuräjähdyksen ja päättämällä maailmankaikkeuden Big Crunchiin; tai universumi voi yksinkertaisesti laajentua ikuisesti.

Mutta päättyisikö jokin näistä tulevaisuuden skenaarioista aika? No, kvanttimekaniikan outojen sääntöjen mukaan pienet satunnaiset hiukkaset voivat hetkellisesti ponnahtaa ulos tyhjiöstä – tämä näkyy jatkuvasti hiukkasfysiikan kokeissa. Jotkut ovat väittäneet, että pimeä energia voisi aiheuttaa sellaisia ​​"kvanttivaihteluita", jotka aiheuttavat uuden alkuräjähdyksen, päättävät aikajanamme ja aloittaen uuden. Vaikka tämä on erittäin spekulatiivista ja erittäin epätodennäköistä, tiedämme, että vasta kun ymmärrämme pimeän energian, tiedämme maailmankaikkeuden kohtalon.

Mikä on siis todennäköisin tulos? Vain aika näyttää.