Що таке час і чи завжди він рухається вперед?

Уявіть, що час біжить назад. Люди будуть молодіти, а не старіти, і після довгого життя поступового омолодження – відмови від навчання всьому, що вони знають – вони закінчуватимуть, як блиск в очах своїх батьків. Це час, представлений у романі письменника-фантаста Філіпа К. Діка, але, як не дивно, напрямок часу також є проблемою, з якою борються космологи.

Хоча ми вважаємо само собою зрозумілим, що час має певний напрямок, фізики цього не роблять: більшість природних законів є «часом оборотними», що означає, що вони працювали б так само добре, якби час визначали як рух назад. Так чому час завжди рухається вперед? І чи завжди так буде?

Чи має час початок?

Будь-яка універсальна концепція часу повинна в кінцевому підсумку ґрунтуватися на еволюції самого космосу. Коли ви дивитеся на Всесвіт, ви бачите події, які відбулися в минулому – потрібен час, щоб досягти нас. Насправді навіть найпростіше спостереження може допомогти нам зрозуміти космологічний час: наприклад, той факт, що нічне небо темне. Якби Всесвіт мав нескінченне минуле і був нескінченним за розміром, нічне небо було б абсолютно яскравим – наповнене світлом нескінченної кількості зірок у космосі, який існував завжди.

Довгий час вчені, включно з Альбертом Ейнштейном, вважали, що Всесвіт статичний і нескінченний. Відтоді спостереження показали, що він насправді розширюється, і прискорюється. Це означає, що він мав виникнути з більш компактного стану, який ми називаємо Великим вибухом, маючи на увазі, що час дійсно має початок. Насправді, якщо ми шукаємо достатньо старе світло, ми можемо навіть побачити реліктове випромінювання Великого вибуху – космічний мікрохвильовий фон. Усвідомлення цього було першим кроком у визначенні віку Всесвіту (див. нижче).

Але є заковика: спеціальна теорія відносності Ейнштейна показує, що час… відносний: чим швидше ти рухаєшся відносно мене, тим повільніше час для тебе буде проходити порівняно з моїм сприйняттям часу. Тож у нашому всесвіті галактик, що розширюються, зірок, що обертаються, і планет, що обертаються, досвід часу різний: усе минуле, теперішнє та майбутнє відносне.

Отже, чи існує універсальний час, з яким ми всі можемо погодитися?

Хронологія Всесвіту. Дизайн Алекс Міттельманн, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Виявляється, оскільки Всесвіт в середньому скрізь однаковий і в середньому виглядає однаково в усіх напрямках, існує «космічний час». Щоб виміряти його, нам потрібно лише виміряти властивості космічного мікрохвильового фону. Космологи використовували це для визначення віку Всесвіту; його космічний вік. Виявилося, що Всесвіту 13,799 мільярда років.

Стрілка часу

Отже, ми знаємо, що час, швидше за все, почався під час Великого вибуху. Але залишається одне неприємне питання: що саме таке час?

Щоб розкрити це питання, ми повинні розглянути основні властивості простору та часу. У вимірі простору ви можете рухатися вперед і назад; пасажири відчувають це щодня. Але час буває різним, він має напрямок, ти завжди рухаєшся вперед, ніколи не назад. Отже, чому вимір часу незворотній? Це одна з головних невирішених проблем у фізиці.

Щоб пояснити, чому час сам по собі необоротний, нам потрібно знайти процеси в природі, які також є незворотними. Одна з небагатьох таких концепцій у фізиці (і житті!) полягає в тому, що речі стають менш «охайними» з часом. Ми описуємо це за допомогою фізичної властивості під назвою ентропія, яка кодує, наскільки щось упорядковане.

Уявіть коробку з газом, у якій усі частинки спочатку були розміщені в одному куті (впорядкований стан). З часом вони природним чином намагатимуться заповнити всю коробку (невпорядкований стан) – і для повернення частинок у впорядкований стан потрібна буде енергія. Це необоротно. Це як розбити яйце, щоб зробити омлет – як тільки воно розтікається і заповнює сковороду, воно ніколи не повернеться до яйцеподібної форми. Те саме стосується Всесвіту: у міру його розвитку загальна ентропія зростає.

На жаль, це не очиститься само собою. Алекс Діновіцер/wikimedia , CC BY-SA

Виявляється, ентропія є досить хорошим способом пояснити стрілку часу. І хоча може здатися, що Всесвіт стає більш упорядкованим, а не меншим – від дикого моря відносно рівномірно розподіленого гарячого газу на його ранніх стадіях до зірок, планет, людей і статей про час – все ж можливо, що у ньому зростає безлад. Це пов’язано з тим, що гравітація, пов’язана з великими масами, може притягувати матерію до, здавалося б, упорядкованих станів – причому збільшення безладу, яке, на нашу думку, повинно було відбутися, було якимось чином приховано в гравітаційних полях. Тож безлад може зростати, хоча ми цього не бачимо.

Але враховуючи тенденцію природи віддавати перевагу безладу, чому Всесвіт спочатку був у такому впорядкованому стані? Це досі вважається загадкою. Деякі дослідники стверджують, що Великий вибух, можливо, навіть не був початком, насправді можуть існувати «паралельні всесвіти», де час тече в різних напрямках.

Чи закінчиться час?

Час мав початок, але чи матиме він кінець, залежить від природи темної енергії, яка змушує його розширюватися зі швидкістю прискорення. Швидкість цього розширення може зрештою розірвати Всесвіт на частини, змусивши його закінчитися Великим Розривом; альтернативно темна енергія може розпадатися, скасовуючи Великий вибух і закінчуючи Всесвіт Великим Кризом; або Всесвіт може просто розширюватися вічно.

Але чи закінчиться якийсь із цих майбутніх сценаріїв? Що ж, згідно з дивними правилами квантової механіки, крихітні випадкові частинки можуть миттєво вискочити з вакууму – те, що постійно спостерігається в експериментах з фізики елементарних частинок. Дехто стверджував, що темна енергія може спричинити такі «квантові коливання», що призведуть до нового Великого вибуху, який завершить нашу часову лінію та почне нову. Хоча це вкрай спекулятивний і малоймовірний, ми знаємо, що тільки тоді, коли ми зрозуміємо темну енергію, ми дізнаємося долю Всесвіту.

Отже, який найімовірніший результат? Тільки час покаже.