Čo Je čas a posúva Sa vždy dopredu?

Predstavte si, že čas beží dozadu. Ľudia by namiesto starnutia rástli a po dlhom živote postupného omladzovania – odnaučenia sa všetkého, čo vedia – by skončili ako záblesk v očiach svojich rodičov. To je čas, ako je znázornený v románe spisovateľa sci-fi Philipa K Dicka, ale smerovanie času je prekvapivo tiež problémom, s ktorým sa kozmológovia potýkajú.

Zatiaľ čo my považujeme za samozrejmé, že čas má daný smer, fyzici nie: väčšina prírodných zákonov je „čas reverzibilná“, čo znamená, že by fungovali rovnako dobre, keby bol čas definovaný ako beh dozadu. Prečo teda čas ide vždy dopredu? A bude to tak vždy?

Má čas začiatok?

Akýkoľvek univerzálny koncept času musí byť v konečnom dôsledku založený na vývoji samotného kozmu. Keď sa pozriete na vesmír, vidíte udalosti, ktoré sa stali v minulosti – trvá to svetlo, kým sa k nám dostane. V skutočnosti aj to najjednoduchšie pozorovanie nám môže pomôcť pochopiť kozmologický čas: napríklad skutočnosť, že nočná obloha je tmavá. Ak by vesmír mal nekonečnú minulosť a bol by nekonečný, nočná obloha by bola úplne jasná – naplnená svetlom z nekonečného množstva hviezd vo vesmíre, ktorý vždy existoval.

Vedci, vrátane Alberta Einsteina, si dlho mysleli, že vesmír je statický a nekonečný. Pozorovania odvtedy ukázali, že sa v skutočnosti rozširuje a zrýchľuje sa. To znamená, že musí pochádzať z kompaktnejšieho stavu, ktorý nazývame Veľký tresk, čo znamená, že čas má začiatok. V skutočnosti, ak hľadáme svetlo, ktoré je dostatočne staré, môžeme dokonca vidieť reliktné žiarenie z Veľkého tresku – kozmické mikrovlnné pozadie. Uvedomenie si toho bol prvým krokom pri určovaní veku vesmíru (pozri nižšie).

Je tu však jeden háčik, Einsteinova špeciálna teória relativity, ktorá ukazuje, že čas je... relatívny: čím rýchlejšie sa pohybujete vo vzťahu ku mne, tým pomalšie vám bude plynúť čas v porovnaní s mojím vnímaním času. Takže v našom vesmíre rozpínajúcich sa galaxií, rotujúcich hviezd a víriacich planét sa skúsenosti s časom líšia: všetko je minulosť, prítomnosť a budúcnosť je relatívne.

Existuje teda univerzálny čas, na ktorom by sme sa všetci zhodli?

Časová os vesmíru. Dizajn Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Ukazuje sa, že pretože vesmír je v priemere všade rovnaký a v priemere vyzerá rovnako vo všetkých smeroch, existuje „kozmický čas“. Na jej meranie nám stačí zmerať vlastnosti kozmického mikrovlnného pozadia. Kozmológovia to použili na určenie veku vesmíru; jeho kozmický vek. Ukazuje sa, že vesmír je starý 13,799 miliardy rokov.

Časová šípka

Takže vieme, že čas s najväčšou pravdepodobnosťou začal počas Veľkého tresku. Zostáva však jedna nepríjemná otázka: čo presne je čas?

Aby sme rozbalili túto otázku, musíme sa pozrieť na základné vlastnosti priestoru a času. V dimenzii priestoru sa môžete pohybovať dopredu a dozadu; dochádzajúci ľudia to zažívajú každý deň. Doba je však iná, má smer, vždy idete dopredu, nikdy nie vzad. Prečo je teda rozmer času nezvratný? Toto je jeden z hlavných nevyriešených problémov fyziky.

Aby sme vysvetlili, prečo je samotný čas nezvratný, musíme v prírode nájsť procesy, ktoré sú tiež nezvratné. Jedným z mála takýchto konceptov vo fyzike (a živote!) je, že veci majú tendenciu byť postupom času menej „upratané“. Opisujeme to pomocou fyzickej vlastnosti nazývanej entropia, ktorá kóduje, ako je niečo usporiadané.

Predstavte si krabicu plynu, v ktorej boli všetky častice pôvodne umiestnené v jednom rohu (usporiadaný stav). Postupom času by sa prirodzene snažili naplniť celú krabicu (neusporiadaný stav) – a vrátiť častice späť do usporiadaného stavu by vyžadovalo energiu. Toto je nezvratné. Je to ako z prasknutia vajíčka urobiť omeletu – akonáhle sa roztečie a naplní panvicu, už nikdy nebude mať vajcovitý tvar. S vesmírom je to rovnaké: ako sa vyvíja, celková entropia sa zvyšuje.

Bohužiaľ sa to samo nevyčistí. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Ukázalo sa, že entropia je celkom dobrý spôsob, ako vysvetliť šípku času. A hoci sa môže zdať, že vesmír sa stáva usporiadanejším, a nie menej – prechádzajúcim z divokého mora relatívne rovnomerne rozloženého horúceho plynu v jeho raných štádiách k hviezdam, planétam, ľuďom a článkom o čase – napriek tomu je možné, že jeho neusporiadanosť narastá. Je to preto, že gravitácia spojená s veľkými masami môže sťahovať hmotu do zdanlivo usporiadaných stavov – pričom nárast neusporiadanosti, o ktorom si myslíme, že musel nastať, je nejakým spôsobom skrytý v gravitačných poliach. Takže neporiadok môže narastať, aj keď to nevidíme.

Ale vzhľadom na tendenciu prírody uprednostňovať neporiadok, prečo vesmír vôbec začal v takom usporiadanom stave? Toto sa stále považuje za záhadu. Niektorí vedci tvrdia, že Veľký tresk možno ani nebol začiatkom, v skutočnosti môžu existovať „paralelné vesmíry“, v ktorých čas beží rôznymi smermi.

Skončí čas?

Čas mal začiatok, ale to, či bude mať koniec, závisí od povahy temnej energie, ktorá spôsobuje, že sa zrýchľuje. Rýchlosť tejto expanzie môže nakoniec roztrhnúť vesmír na kusy a prinútiť ho, aby sa skončil veľkým trhaním; alternatívne sa môže tmavá energia rozpadnúť, zvrátiť Veľký tresk a ukončiť vesmír vo veľkej kríze; alebo sa vesmír môže jednoducho rozpínať navždy.

Skončil by však niektorý z týchto budúcich scenárov čas? No, podľa zvláštnych pravidiel kvantovej mechaniky môžu drobné náhodné častice na chvíľu vyskočiť z vákua – niečo, čo sa neustále pozoruje pri experimentoch vo fyzike častíc. Niektorí tvrdili, že tmavá energia by mohla spôsobiť také „kvantové výkyvy“, ktoré viedli k novému veľkému tresku, ktorý by ukončil našu časovú líniu a začal novú. Aj keď je to mimoriadne špekulatívne a vysoko nepravdepodobné, vieme, že iba vtedy, keď pochopíme temnú energiu, spoznáme osud vesmíru.

Aký je teda najpravdepodobnejší výsledok? Len čas ukáže.