Što Je Vrijeme I kreće Li Se Uvijek naprijed?

Zamislite da vrijeme teče unatrag. Ljudi bi postajali mlađi umjesto stariji i, nakon dugog života postupnog pomlađivanja – odvikavanja od svega što znaju – završavali bi kao bljesak u očima svojih roditelja. To je vrijeme kako je predstavljeno u romanu pisca znanstvene fantastike Philipa K Dicka, ali, iznenađujuće, smjer vremena također je problem s kojim se bore kozmolozi.

Dok mi uzimamo zdravo za gotovo da vrijeme ima određeni smjer, fizičari to ne čine: većina prirodnih zakona je "vremenski reverzibilna", što znači da bi jednako dobro funkcionirali da je vrijeme definirano kao kretanje unatrag. Pa zašto vrijeme uvijek ide naprijed? I hoće li uvijek biti tako?

Ima li vrijeme početak?

Svaki univerzalni koncept vremena mora se u konačnici temeljiti na evoluciji samog kozmosa. Kad pogledate gore u svemir, vidite događaje koji su se dogodili u prošlosti – potrebno je vrijeme svjetlosti da dođe do nas. Zapravo, čak i najjednostavnije promatranje može nam pomoći da razumijemo kozmološko vrijeme: na primjer činjenica da je noćno nebo tamno. Da je svemir imao beskonačnu prošlost i bio beskonačan u opsegu, noćno nebo bi bilo potpuno svijetlo - ispunjeno svjetlošću beskonačnog broja zvijezda u kozmosu koji je oduvijek postojao.

Dugo su znanstvenici, uključujući Alberta Einsteina, smatrali da je svemir statičan i beskonačan. Promatranja su od tada pokazala da se zapravo širi, i to ubrzanom brzinom. To znači da mora potjecati iz kompaktnijeg stanja koje nazivamo Veliki prasak, što implicira da vrijeme ima početak. Zapravo, ako tražimo svjetlost koja je dovoljno stara, možemo vidjeti čak i reliktnu radijaciju Velikog praska – kozmičku mikrovalnu pozadinu. Shvaćanje ovoga bio je prvi korak u određivanju starosti svemira (vidi dolje).

Ali postoji začkoljica, Einsteinova posebna teorija relativnosti pokazuje da je vrijeme... relativno: što se brže krećete u odnosu na mene, to će vam vrijeme sporije prolaziti u odnosu na moju percepciju vremena. Dakle, u našem svemiru galaksija koje se šire, zvijezda koje se vrte i planeta koji se vrte, doživljaji vremena su različiti: sve je prošlost, sadašnjost i budućnost relativno.

Dakle, postoji li univerzalno vrijeme oko kojeg se svi možemo složiti?

Vremenska linija svemira. Dizajn Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Ispada da zato što je svemir u prosjeku posvuda isti i u prosjeku izgleda isto u svim smjerovima, postoji "kozmičko vrijeme". Da bismo to izmjerili, sve što moramo učiniti je izmjeriti svojstva kozmičke mikrovalne pozadine. Kozmolozi su ovo koristili za određivanje starosti svemira; svoje kozmičko doba. Ispostavilo se da je svemir star 13,799 milijardi godina.

Vremenska strelica

Dakle, znamo da je vrijeme najvjerojatnije počelo tijekom Velikog praska. Ali postoji jedno mučno pitanje koje ostaje: što je točno vrijeme?

Da bismo raspakirali ovo pitanje, moramo pogledati osnovna svojstva prostora i vremena. U dimenziji prostora, možete se kretati naprijed i nazad; putnici to doživljavaju svakodnevno. Ali vrijeme je drugačije, ono ima smjer, uvijek ideš naprijed, nikad unazad. Pa zašto je dimenzija vremena nepovratna? Ovo je jedan od najvećih neriješenih problema u fizici.

Da bismo objasnili zašto je samo vrijeme nepovratno, moramo pronaći procese u prirodi koji su također nepovratni. Jedan od rijetkih takvih koncepata u fizici (i životu!) jest da stvari postaju sve manje "uredne" kako vrijeme prolazi. To opisujemo pomoću fizičkog svojstva zvanog entropija koje kodira koliko je nešto uređeno.

Zamislite kutiju s plinom u kojoj su sve čestice u početku bile smještene u jednom kutu (uređeno stanje). Tijekom vremena oni bi prirodno nastojali ispuniti cijelu kutiju (neuređeno stanje) – a za vraćanje čestica u uređeno stanje bila bi potrebna energija. Ovo je nepovratno. To je kao da razbijete jaje da biste napravili omlet – kada se jednom raširi i ispuni tavu, više se neće vratiti u oblik jajeta. Isto je i sa svemirom: kako se razvija, ukupna entropija raste.

Nažalost, to se neće samo od sebe očistiti. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Ispostavilo se da je entropija prilično dobar način da se objasni vremenska strelica. I dok se može činiti da svemir postaje uređeniji, a ne manje – prelazeći od divljeg mora relativno ravnomjerno raspoređenog vrućeg plina u ranim fazama do zvijezda, planeta, ljudi i članaka o vremenu – ipak je moguće da postaje sve više neuređen. To je zato što gravitacija povezana s velikim masama možda vuče materiju u naizgled uređena stanja – s povećanjem nereda za koje mislimo da se moralo dogoditi nekako je skriveno u gravitacijskim poljima. Dakle, poremećaj bi se mogao povećati iako ga ne vidimo.

Ali s obzirom na tendenciju prirode da preferira nered, zašto je svemir uopće započeo u tako uređenom stanju? Ovo se još uvijek smatra misterijom. Neki istraživači tvrde da Veliki prasak možda nije ni bio početak, možda zapravo postoje "paralelni svemiri" u kojima vrijeme teče u različitim smjerovima.

Hoće li vrijeme završiti?

Vrijeme je imalo početak, ali hoće li imati kraj ovisi o prirodi tamne energije koja ga uzrokuje ubrzanim širenjem. Brzina ovog širenja može na kraju rastrgati svemir, prisiljavajući ga da završi u Velikom rascjepu; alternativno se tamna energija može raspasti, poništavajući Veliki prasak i završavajući Svemir u Velikom slomu; ili se Svemir može jednostavno proširiti zauvijek.

Ali hoće li neki od ovih scenarija budućnosti završiti vrijeme? Pa, prema čudnim pravilima kvantne mehanike, sićušne nasumične čestice mogu trenutno iskočiti iz vakuuma - nešto što se stalno viđa u eksperimentima fizike čestica. Neki su tvrdili da bi tamna energija mogla uzrokovati takve "kvantne fluktuacije" koje bi dovele do novog Velikog praska, okončanja naše vremenske linije i početka nove. Iako je ovo krajnje spekulativno i vrlo malo vjerojatno, ono što znamo jest da ćemo tek kada shvatimo tamnu energiju znati sudbinu svemira.

Dakle, koji je najvjerojatniji ishod? Samo će vrijeme pokazati.