Kas Ir Laiks Un Vai Tas vienmēr virzās Uz priekšu?

Iedomājieties, ka laiks skrien atpakaļ. Cilvēki kļūtu jaunāki, nevis vecāki, un pēc ilga mūža pakāpeniski atjaunojoties – neapgūstot visu, ko viņi zina, viņi beigtos kā mirdzums viņu vecāku acīs. Tas ir laiks, kā tas ir attēlots zinātniskās fantastikas rakstnieka Filipa K Dika romānā, taču pārsteidzoši, ka laika virziens ir arī problēma, ar kuru cīnās kosmologi.

Lai gan mēs uzskatām par pašsaprotamu, ka laikam ir noteikts virziens, fiziķi to nedara: lielākā daļa dabas likumu ir “laikā atgriezeniski”, kas nozīmē, ka tie darbotos tikpat labi, ja laiks tiktu definēts kā skriešana atpakaļ. Tātad, kāpēc laiks vienmēr virzās uz priekšu? Un vai tas vienmēr tā darīs?

Vai laikam ir sākums?

Jebkurš universāls laika jēdziens galu galā jābalsta uz paša kosmosa evolūciju. Kad paskatās uz Visumu, jūs redzat notikumus, kas notikuši pagātnē – ir nepieciešams laiks, lai sasniegtu mūs. Patiesībā pat visvienkāršākais novērojums var mums palīdzēt izprast kosmoloģisko laiku: piemēram, tas, ka nakts debesis ir tumšas. Ja Visumam būtu bezgalīga pagātne un tas būtu bezgalīgs, naksnīgās debesis būtu pilnīgi gaišas — piepildītas ar gaismu no bezgala daudzām zvaigžņu kosmosā, kas vienmēr ir pastāvējis.

Ilgu laiku zinātnieki, tostarp Alberts Einšteins, uzskatīja, ka Visums ir statisks un bezgalīgs. Kopš tā laika novērojumi ir parādījuši, ka tas faktiski paplašinās un ar ātrumu. Tas nozīmē, ka tam ir jābūt cēlusies no kompaktāka stāvokļa, ko mēs saucam par Lielo sprādzienu, kas nozīmē, ka laikam ir sākums. Patiesībā, ja mēs meklējam pietiekami vecu gaismu, mēs varam redzēt pat Lielā sprādziena relikto starojumu - kosmisko mikroviļņu fonu. Tā apzināšanās bija pirmais solis Visuma vecuma noteikšanā (skat. zemāk).

Bet ir kāda aizķeršanās, Einšteina īpašā relativitātes teorija, kas parāda, ka laiks ir... relatīvs: jo ātrāk tu virzīsies attiecībā pret mani, jo lēnāk tev paies laiks attiecībā pret manu laika uztveri. Tātad mūsu visumā, kurā ir izplešas galaktikas, griežas zvaigznes un virpuļojošas planētas, laika pieredze atšķiras: viss pagātne, tagadne un nākotne ir relatīvi.

Tātad, vai ir universāls laiks, par kuru mēs visi varētu vienoties?

Visuma laika skala. Dizains Alekss Mitelmans, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Izrādās, ka, tā kā Visums vidēji visur ir vienāds un vidēji izskatās vienādi visos virzienos, pastāv "kosmiskais laiks". Lai to izmērītu, mums atliek tikai izmērīt kosmiskā mikroviļņu fona īpašības. Kosmologi to izmantojuši, lai noteiktu Visuma vecumu; savu kosmisko laikmetu. Izrādās, ka Visums ir 13,799 miljardus gadu vecs.

Laika bultiņa

Tātad mēs zinām, ka laiks, visticamāk, sākās Lielā sprādziena laikā. Bet paliek viens mokošs jautājums: kas īsti ir laiks?

Lai izpakotu šo jautājumu, mums ir jāaplūko telpas un laika pamatīpašības. Telpas dimensijā jūs varat pārvietoties uz priekšu un atpakaļ; braucēji to piedzīvo katru dienu. Bet laiks ir savādāks, tam ir virziens, tu vienmēr virzies uz priekšu, nekad otrādi. Tātad, kāpēc laika dimensija ir neatgriezeniska? Šī ir viena no lielākajām neatrisinātajām fizikas problēmām.

Lai izskaidrotu, kāpēc laiks pats par sevi ir neatgriezenisks, mums dabā jāatrod procesi, kas arī ir neatgriezeniski. Viens no nedaudzajiem šādiem jēdzieniem fizikā (un dzīvē!) ir tāds, ka laika gaitā lietas mēdz kļūt mazāk "koptas". Mēs to aprakstām, izmantojot fizisko īpašību, ko sauc par entropiju, kas kodē, kā kaut kas ir sakārtots.

Iedomājieties gāzes kasti, kurā visas daļiņas sākotnēji tika novietotas vienā stūrī (sakārtots stāvoklis). Laika gaitā tie, protams, censtos aizpildīt visu kasti (nesakārtots stāvoklis), un, lai daļiņas atgrieztos sakārtotā stāvoklī, būtu nepieciešama enerģija. Tas ir neatgriezeniski. Tas ir tāpat kā olu saplaisāt, lai pagatavotu omleti – kad tā izklājas un piepilda pannu, tā nekad vairs nebūs olas formas. Tas pats ir ar Visumu: tam attīstoties, kopējā entropija palielinās.

Diemžēl tas pats no sevis neattīrīsies. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Izrādās, ka entropija ir diezgan labs veids, kā izskaidrot laika bultiņu. Un, lai gan varētu šķist, ka Visums kļūst sakārtotāks, nevis mazāks — sākot no savvaļas jūras, kurā ir salīdzinoši vienmērīgi izkliedēta karsta gāze, tā sākumposmā pāriet uz zvaigznēm, planētām, cilvēkiem un rakstiem par laiku, tomēr ir iespējams, ka tajā palielinās nekārtības. Tas ir tāpēc, ka gravitācija, kas saistīta ar lielām masām, var ievilkt matēriju šķietami sakārtotos stāvokļos, un nekārtību palielināšanās, kas, mūsuprāt, ir notikusi, ir kaut kādā veidā paslēpta gravitācijas laukos. Tātad traucējumi varētu pieaugt, pat ja mēs to neredzam.

Bet, ņemot vērā dabas tendenci dot priekšroku nekārtībām, kāpēc Visums vispār sākās tik sakārtotā stāvoklī? Tas joprojām tiek uzskatīts par noslēpumu. Daži pētnieki apgalvo, ka Lielais sprādziens, iespējams, pat nebija sākums, patiesībā var būt "paralēli Visumi", kur laiks rit dažādos virzienos.

Vai laiks beigsies?

Laikam bija sākums, bet tas, vai tam būs beigas, ir atkarīgs no tumšās enerģijas rakstura, kas liek tai paplašināties ar paātrinātu ātrumu. Šīs izplešanās ātrums galu galā var saplēst Visumu, liekot tam beigties ar Lielu plīsumu; alternatīvi tumšā enerģija var sabrukt, apvēršot Lielo sprādzienu un izbeidzot Visumu ar lielu krīzi; vai arī Visums var vienkārši paplašināties uz visiem laikiem.

Bet vai kāds no šiem nākotnes scenārijiem beigtos laiks? Nu, saskaņā ar dīvainajiem kvantu mehānikas likumiem sīkas nejaušas daļiņas var uz brīdi iznirt no vakuuma – tas ir pastāvīgi redzams daļiņu fizikas eksperimentos. Daži ir iebilduši, ka tumšā enerģija var izraisīt šādas "kvantu svārstības", izraisot jaunu Lielo sprādzienu, beidzot mūsu laika līniju un sākot jaunu. Lai gan tas ir ārkārtīgi spekulatīvi un ļoti maz ticams, mēs zinām, ka tikai tad, kad sapratīsim tumšo enerģiju, mēs uzzināsim Visuma likteni.

Tātad, kāds ir visticamākais rezultāts? To rādīs tikai laiks.