Czym Jest Czas I Czy Zawsze płynie Do przodu?

Wyobraź sobie, że czas biegnie wstecz. Ludzie stawaliby się młodsi zamiast starsi i po długim życiu stopniowego odmładzania – oduczając się wszystkiego, co wiedzą – kończyliby jako błysk w oczach rodziców. To czas przedstawiony w powieści pisarza science fiction Philipa K. Dicka, ale, co zaskakujące, kierunek czasu jest również kwestią, z którą zmagają się kosmolodzy.

Podczas gdy my zakładamy, że czas ma określony kierunek, fizycy tak nie myślą: większość praw natury jest „odwracalna w czasie”, co oznacza, że ​​działałyby równie dobrze, gdyby czas zdefiniować jako biegnący wstecz. Dlaczego więc czas zawsze porusza się do przodu? I czy zawsze tak będzie?

Czy czas ma początek?

Każda uniwersalna koncepcja czasu musi ostatecznie opierać się na ewolucji samego kosmosu. Kiedy patrzysz na wszechświat, widzisz wydarzenia, które miały miejsce w przeszłości – potrzeba czasu świetlnego, aby do nas dotrzeć. W rzeczywistości nawet najprostsza obserwacja może pomóc nam zrozumieć czas kosmologiczny: na przykład fakt, że nocne niebo jest ciemne. Gdyby wszechświat miał nieskończoną przeszłość i byłby nieskończony w swojej rozciągłości, nocne niebo byłoby całkowicie jasne – wypełnione światłem z nieskończonej liczby gwiazd w kosmosie, który istniał zawsze.

Przez długi czas naukowcy, w tym Albert Einstein, uważali, że wszechświat jest statyczny i nieskończony. Obserwacje wykazały, że w rzeczywistości rozszerza się on w coraz szybszym tempie. Oznacza to, że musiał powstać z bardziej zwartego stanu, który nazywamy Wielkim Wybuchem, co oznacza, że ​​czas ma początek. W rzeczywistości, jeśli poszukamy światła wystarczająco starego, możemy nawet zobaczyć promieniowanie reliktowe z Wielkiego Wybuchu – mikrofalowe promieniowanie tła. Uświadomienie sobie tego było pierwszym krokiem w określeniu wieku wszechświata (patrz poniżej).

Ale jest pewien haczyk, szczególna teoria względności Einsteina pokazuje, że czas jest… względny: im szybciej się poruszasz w stosunku do mnie, tym wolniej będzie płynął dla ciebie czas w stosunku do mojego postrzegania czasu. Tak więc w naszym wszechświecie rozszerzających się galaktyk, wirujących gwiazd i wirujących planet, doświadczenia czasu są różne: wszystko, co przeszłe, teraźniejsze i przyszłe, jest względne.

Czy zatem istnieje uniwersalny czas, na który moglibyśmy się wszyscy zgodzić?

Oś czasu wszechświata. Projekt Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Okazuje się, że ponieważ wszechświat jest średnio wszędzie taki sam i średnio wygląda tak samo w każdym kierunku, istnieje „czas kosmiczny”. Aby go zmierzyć, wystarczy zmierzyć właściwości mikrofalowego promieniowania tła. Kosmolodzy wykorzystali to do określenia wieku wszechświata; jego wieku kosmicznego. Okazuje się, że wszechświat ma 13,799 miliardów lat.

Strzała czasu

Więc wiemy, że czas najprawdopodobniej rozpoczął się podczas Wielkiego Wybuchu. Ale pozostaje jedno dręczące pytanie: czym właściwie jest czas?

Aby rozwikłać to pytanie, musimy przyjrzeć się podstawowym właściwościom przestrzeni i czasu. W wymiarze przestrzeni możesz poruszać się do przodu i do tyłu; dojeżdżający do pracy doświadczają tego każdego dnia. Ale czas jest inny, ma kierunek, zawsze poruszasz się do przodu, nigdy do tyłu. Dlaczego więc wymiar czasu jest nieodwracalny? To jeden z głównych nierozwiązanych problemów fizyki.

Aby wyjaśnić, dlaczego sam czas jest nieodwracalny, musimy znaleźć procesy w naturze, które również są nieodwracalne. Jednym z niewielu takich pojęć w fizyce (i życiu!) jest to, że rzeczy stają się mniej „uporządkowane” w miarę upływu czasu. Opisujemy to za pomocą własności fizycznej zwanej entropią, która koduje, jak uporządkowane jest coś.

Wyobraź sobie pudełko z gazem, w którym wszystkie cząsteczki zostały początkowo umieszczone w jednym rogu (stan uporządkowany). Z czasem naturalnie będą dążyć do wypełnienia całego pudełka (stan nieuporządkowany) – a przywrócenie cząsteczkom stanu uporządkowanego wymagałoby energii. To jest nieodwracalne. To jak rozbicie jajka, aby zrobić omlet – gdy się rozprzestrzeni i wypełni patelnię, nigdy nie powróci do kształtu jajka. Tak samo jest ze wszechświatem: w miarę jego ewolucji ogólna entropia wzrasta.

Niestety, to się samo nie oczyści. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Okazuje się, że entropia jest całkiem dobrym sposobem na wyjaśnienie strzałki czasu. I chociaż może się wydawać, że wszechświat staje się bardziej uporządkowany, a nie mniej – przechodząc od dzikiego morza stosunkowo równomiernie rozproszonego gorącego gazu w jego wczesnych stadiach do gwiazd, planet, ludzi i artykułów o czasie – jest jednak możliwe, że wzrasta w nim nieporządek. Dzieje się tak, ponieważ grawitacja związana z dużymi masami może wciągać materię do pozornie uporządkowanych stanów – przy czym wzrost nieporządku, który naszym zdaniem musiał mieć miejsce, jest w jakiś sposób ukryty w polach grawitacyjnych. Tak więc nieporządek może wzrastać, nawet jeśli go nie widzimy.

Ale biorąc pod uwagę tendencję natury do preferowania nieporządku, dlaczego wszechświat na początku był w tak uporządkowanym stanie? To wciąż jest uważane za tajemnicę. Niektórzy badacze twierdzą, że Wielki Wybuch mógł nawet nie być początkiem, w rzeczywistości mogą istnieć „równoległe wszechświaty”, w których czas biegnie w różnych kierunkach.

Czy czas się skończy?

Czas miał początek, ale czy będzie miał koniec, zależy od natury ciemnej energii, która powoduje, że rozszerza się w przyspieszonym tempie. Tempo tej ekspansji może ostatecznie rozerwać wszechświat, zmuszając go do zakończenia w Wielkim Rozdarciu; alternatywnie ciemna energia może się rozpaść, odwracając Wielki Wybuch i kończąc wszechświat w Wielkim Chrupnięciu; lub wszechświat może po prostu rozszerzać się w nieskończoność.

Ale czy którykolwiek z tych przyszłych scenariuszy zakończyłby czas? Cóż, zgodnie z dziwnymi zasadami mechaniki kwantowej, maleńkie przypadkowe cząsteczki mogą na chwilę wyskoczyć z próżni – coś, co stale obserwuje się w eksperymentach fizyki cząstek. Niektórzy twierdzą, że ciemna energia może powodować takie „fluktuacje kwantowe”, dając początek nowemu Wielkiemu Wybuchowi, kończącemu naszą linię czasu i rozpoczynającemu nową. Chociaż jest to niezwykle spekulatywne i wysoce nieprawdopodobne, wiemy, że dopiero gdy zrozumiemy ciemną energię, poznamy los wszechświata.

Więc jaki jest najbardziej prawdopodobny wynik? Tylko czas pokaże.