Hvað Er tími Og Hreyfist Hann Alltaf áfram?

Ímyndaðu þér að tíminn hlaupi afturábak. Fólk myndi yngjast í stað þess að eldast og eftir langt líf með hægfara endurnýjun – að hafa aflært allt sem það veit – myndi það enda sem blik í augum foreldra sinna. Það er tíminn eins og hann er táknaður í skáldsögu eftir vísindaskáldsagnahöfundinn Philip K Dick en furðulegt er að stefna tímans er líka vandamál sem heimsfræðingar glíma við.

Þó að við tökum sem sjálfsögðum hlut að tíminn hafi ákveðna stefnu, þá gera eðlisfræðingar það ekki: flest náttúrulögmál eru „afturkræf“ sem þýðir að þau myndu virka alveg eins vel ef tíminn væri skilgreindur sem að hlaupa afturábak. Svo hvers vegna flýgur tíminn alltaf áfram? Og mun það alltaf gera það?

Á tíminn sér upphaf?

Sérhvert alheimshugtak um tíma verður að lokum að byggjast á þróun alheimsins sjálfs. Þegar þú horfir upp á alheiminn sérðu atburði sem gerðust í fortíðinni - það tekur léttan tíma að ná til okkar. Raunar getur jafnvel einfaldasta athugun hjálpað okkur að skilja heimsfræðilegan tíma: til dæmis þá staðreynd að næturhiminninn er dimmur. Ef alheimurinn ætti óendanlega fortíð og væri óendanlegur að umfangi væri næturhiminninn algjörlega bjartur – fullur af ljósi frá óendanlega mörgum stjörnum í alheimi sem hafði alltaf verið til.

Í langan tíma héldu vísindamenn, þar á meðal Albert Einstein, að alheimurinn væri kyrrstæður og óendanlegur. Athuganir hafa síðan sýnt að það er í raun að stækka og á hröðum hraða. Þetta þýðir að það hlýtur að vera upprunnið frá þéttara ástandi sem við köllum Miklahvell, sem gefur til kynna að tíminn eigi sér upphaf. Reyndar, ef við leitum að ljósi sem er nógu gamalt getum við jafnvel séð minjargeislunina frá Miklahvell - geimnum örbylgjuofnbakgrunni. Að átta sig á þessu var fyrsta skrefið í að ákvarða aldur alheimsins (sjá hér að neðan).

En það er hængur á, sérstök afstæðiskenning Einsteins sýnir að tíminn er ... afstæður: því hraðar sem þú hreyfir þig miðað við mig, því hægari mun tíminn líða fyrir þig miðað við tímaskynjun mína. Þannig að í alheimi okkar stækkandi vetrarbrauta, snúningsstjarna og reikistjarna sem þyrlast er upplifun tímans mismunandi: allt er fortíð, nútíð og framtíð afstæð.

Svo er til algildur tími sem við gætum öll verið sammála um?

Tímalína alheimsins. Hönnun Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Það kemur í ljós að vegna þess að alheimurinn er að meðaltali eins alls staðar og að meðaltali lítur eins út í allar áttir, þá er til „kosmískur tími“. Til að mæla það þurfum við bara að mæla eiginleika geims örbylgjubakgrunns. Heimsfræðingar hafa notað þetta til að ákvarða aldur alheimsins; alheimsöld hennar. Í ljós kemur að alheimurinn er 13,799 milljarða ára gamall.

Tímaörin

Þannig að við vitum að tíminn byrjaði líklegast á Miklahvell. En það er ein pirrandi spurning sem stendur eftir: hvað er tími nákvæmlega?

Til að taka upp þessa spurningu verðum við að skoða grunneiginleika rúms og tíma. Í vídd rýmis er hægt að fara fram og aftur; ferðamenn upplifa þetta daglega. En tíminn er öðruvísi, hann hefur stefnu, þú ferð alltaf áfram, aldrei afturábak. Svo hvers vegna er vídd tímans óafturkræf? Þetta er eitt af helstu óleystu vandamálunum í eðlisfræði.

Til að útskýra hvers vegna tíminn sjálfur er óafturkræfur þurfum við að finna ferli í náttúrunni sem eru líka óafturkræf. Eitt af fáum slíkum hugtökum í eðlisfræði (og lífinu!) er að hlutirnir hafa tilhneigingu til að verða minna "snyrtilegir" eftir því sem tíminn líður. Við lýsum þessu með því að nota eðliseiginleika sem kallast óreiðu sem kóðar hvernig eitthvað er raðað.

Ímyndaðu þér gaskassa þar sem allar agnirnar voru upphaflega settar í eitt hornið (raðað ástand). Með tímanum myndu þeir náttúrulega leitast við að fylla allan kassann (óreglulegt ástand) - og til að setja agnirnar aftur í skipað ástand myndi þurfa orku. Þetta er óafturkræft. Það er eins og að brjóta egg til að búa til eggjaköku – þegar hún dreifist og fyllir pönnuna mun hún aldrei verða egglaga aftur. Það er eins með alheiminn: eftir því sem hann þróast eykst heildaróreiðin.

Því miður mun það ekki hreinsa upp sjálft sig. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Það kemur í ljós að óreiðu er nokkuð góð leið til að útskýra örina á tímanum. Og þó að það kunni að virðast eins og alheimurinn sé að verða skipulagðari frekar en minni - að fara frá villtu sjó af tiltölulega jafndreifðu heitu gasi á fyrstu stigum þess yfir í stjörnur, plánetur, menn og greinar um tímann - þá er engu að síður mögulegt að það sé að aukast í óreglu. Það er vegna þess að þyngdaraflið sem tengist stórum massa getur verið að draga efni í að því er virðist skipað ástand - þar sem aukningin á röskun sem við höldum að hljóti að hafa átt sér stað er einhvern veginn falin í þyngdarsviðinu. Þannig að röskun gæti verið að aukast þó við sjáum hana ekki.

En miðað við tilhneigingu náttúrunnar til að kjósa óreglu, hvers vegna byrjaði alheimurinn í svo skipulögðu ástandi til að byrja með? Þetta er enn talið ráðgáta. Sumir vísindamenn halda því fram að Miklihvellur hafi ekki einu sinni verið upphafið, það gætu í raun verið „samsíða alheimar“ þar sem tíminn hleypur í mismunandi áttir.

Mun tíminn enda?

Tíminn átti sér upphaf en hvort hann mun hafa endi fer eftir eðli myrku orkunnar sem veldur því að hún þenst út með hröðum hraða. Hraði þessarar stækkunar gæti að lokum rifið alheiminn í sundur, neydd hann til að enda í stóru rífi; að öðrum kosti getur dökk orka rofnað, snúið Miklahvell við og bundið enda á alheiminn í mikilli kreppu; eða alheimurinn gæti einfaldlega stækkað að eilífu.

En myndi einhver af þessum framtíðaratburðarás endatíma? Jæja, samkvæmt undarlegum reglum skammtafræðinnar geta örsmáar tilviljanakenndar agnir skotið upp úr tómarúmi í augnablikinu – eitthvað sem sést stöðugt í tilraunaeðlisfræði agna. Sumir hafa haldið því fram að dimm orka gæti valdið slíkum „skammtasveiflum“ sem leiði til nýs Miklahvells, bindi enda á tímalínu okkar og byrjar nýjan. Þó að þetta sé afar íhugandi og mjög ólíklegt, þá vitum við að aðeins þegar við skiljum dimma orku munum við vita örlög alheimsins.

Hver er þá líklegasta niðurstaðan? Aðeins tíminn mun leiða það í ljós.