Vad är Tid Och går Den Alltid framåt?

Föreställ dig att tiden springer baklänges. Människor skulle bli yngre istället för äldre och efter ett långt liv av gradvis föryngring – avläst allt de vet – skulle de sluta som en glimt i föräldrarnas ögon. Det är tiden som representeras i en roman av science fiction-författaren Philip K Dick, men överraskande nog är tidens riktning också en fråga som kosmologer brottas med.

Även om vi tar för givet att tiden har en given riktning, har fysiker inte det: de flesta naturlagar är "tidreversibla" vilket betyder att de skulle fungera lika bra om tiden definierades som att springa baklänges. Så varför går tiden alltid framåt? Och kommer det alltid att göra det?

Har tiden en början?

Varje universellt tidsbegrepp måste i slutändan baseras på själva kosmos evolution. När du tittar upp mot universum ser du händelser som hände i det förflutna – det tar lätt tid att nå oss. Faktum är att även den enklaste observationen kan hjälpa oss att förstå kosmologisk tid: till exempel det faktum att natthimlen är mörk. Om universum hade ett oändligt förflutet och var oändligt i omfattning, skulle natthimlen vara helt ljus – fylld med ljuset från ett oändligt antal stjärnor i ett kosmos som alltid hade funnits.

Under lång tid trodde forskare, inklusive Albert Einstein, att universum var statiskt och oändligt. Observationer har sedan dess visat att den i själva verket expanderar, och i en accelererande takt. Detta betyder att det måste ha sitt ursprung i ett mer kompakt tillstånd som vi kallar Big Bang, vilket antyder att tiden har en början. Faktum är att om vi letar efter ljus som är tillräckligt gammalt kan vi till och med se relikstrålningen från Big Bang – den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Att inse detta var ett första steg för att bestämma universums ålder (se nedan).

Men det finns en hake, Einsteins speciella relativitetsteori, visar att tiden är ... relativ: ju snabbare du rör dig i förhållande till mig, desto långsammare kommer tiden att gå för dig i förhållande till min tidsuppfattning. Så i vårt universum av expanderande galaxer, snurrande stjärnor och virvlande planeter varierar tidsupplevelser: allts förflutna, nutid och framtid är relativt.

Så finns det en universell tid som vi alla kan enas om?

Universums tidslinje. Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Det visar sig att eftersom universum i genomsnitt är likadant överallt, och i genomsnitt ser likadant ut i alla riktningar, så finns det en "kosmisk tid". För att mäta det behöver vi bara mäta egenskaperna hos den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Kosmologer har använt detta för att bestämma universums ålder; dess kosmiska tidsålder. Det visar sig att universum är 13,799 miljarder år gammalt.

Tidens pil

Så vi vet att tiden med största sannolikhet började under Big Bang. Men det finns en tjatande fråga som återstår: vad är tid egentligen?

För att packa upp denna fråga måste vi titta på de grundläggande egenskaperna hos rum och tid. I dimensionen rymd kan du röra dig framåt och bakåt; pendlare upplever detta varje dag. Men tiden är annorlunda, den har en riktning, man går alltid framåt, aldrig bakåt. Så varför är tidsdimensionen oåterkallelig? Detta är ett av de stora olösta problemen inom fysiken.

För att förklara varför tiden i sig är oåterkallelig behöver vi hitta processer i naturen som också är oåterkalleliga. Ett av få sådana begrepp inom fysiken (och livet!) är att saker och ting tenderar att bli mindre "städade" med tiden. Vi beskriver detta med hjälp av en fysisk egenskap som kallas entropi som kodar hur ordnat något är.

Föreställ dig en gaslåda där alla partiklar från början placerades i ett hörn (ett ordnat tillstånd). Med tiden skulle de naturligtvis försöka fylla hela lådan (ett oordnat tillstånd) – och att återställa partiklarna i ett ordnat tillstånd skulle kräva energi. Detta är oåterkalleligt. Det är som att knäcka ett ägg för att göra en omelett – när den väl breder ut sig och fyller stekpannan kommer den aldrig att bli äggformad igen. Det är samma sak med universum: när det utvecklas ökar den totala entropin.

Tyvärr kommer det inte att städa upp sig självt. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Det visar sig att entropi är ett ganska bra sätt att förklara tidens pil. Och även om det kan tyckas som att universum blir mer ordnat snarare än mindre – från ett vildt hav av relativt jämnt spridd het gas i dess tidiga skeden till stjärnor, planeter, människor och artiklar om tid – är det ändå möjligt att det ökar i oordning. Det beror på att gravitationen förknippad med stora massor kan dra materia till till synes ordnade tillstånd – med ökningen av oordning som vi tror måste ha ägt rum på något sätt gömd i gravitationsfälten. Så störningen kan öka även om vi inte ser det.

Men med tanke på naturens tendens att föredra oordning, varför började universum i ett sådant ordnat tillstånd från början? Detta anses fortfarande vara ett mysterium. Vissa forskare hävdar att Big Bang kanske inte ens var början, det kan faktiskt finnas "parallella universum" där tiden går åt olika håll.

Kommer tiden att ta slut?

Tiden hade en början men om den kommer att ha ett slut beror på naturen hos den mörka energin som får den att expandera i en accelererande hastighet. Hastigheten på denna expansion kan så småningom slita isär universum, vilket tvingar det att sluta i en Big Rip; alternativt kan mörk energi förfalla, vända Big Bang och avsluta universum i en Big Crunch; eller så kan universum helt enkelt expandera för alltid.

Men skulle något av dessa framtidsscenarier sluta tiden? Tja, enligt kvantmekanikens konstiga regler kan små slumpmässiga partiklar tillfälligt komma ut ur ett vakuum – något som ständigt ses i partikelfysikexperiment. Vissa har hävdat att mörk energi kan orsaka sådana "kvantfluktuationer" som ger upphov till en ny Big Bang, som avslutar vår tidslinje och startar en ny. Även om detta är extremt spekulativt och mycket osannolikt, vad vi vet är att först när vi förstår mörk energi kommer vi att veta universums öde.

Så vad är det mest troliga resultatet? Bara tiden får utvisa.