Caroline Purser/Getty Images

Co je to šipka času a proč už téměř sto let mate fyziky?

Šipku času lze vysvětlit poměrně jednoduše jako pozorování, že si pamatujeme minulost a ne budoucnost. Máme přístup k historickým knihám a všem ostatním typům záznamů o tom, co bylo před námi, ale žádné takové informace z opačného směru.

Nyní se to může zdát zjednodušené, ale je zde hádanka. Fyzikální zákony jsou symetrické, což znamená, že fungují bez ohledu na to, kterým směrem se v čase pohybujete. Představte si například, že sledujete film, v němž vejce spadne ze stolu a roztříští se o podlahu. Kdybyste se na stejný film dívali při přetáčení s tím, že všechny praskliny a kousky rozbitého vejce se úhledně přeorganizují a tato reformulační energie donutí vejce vyskočit zpět na stůl, také by se to řídilo fyzikálními zákony.

Takže teď máme otázku. Proč všude, kam se podíváme, vidíme vždy první scénář a nikdy druhý?

Máme nějaké věrohodné vysvětlení?“

Existuje mnoho různých vysvětlení a většina z nich se točí kolem myšlenky, že šipka času je v podstatě generována nárůstem entropie. Entropie, velmi zhruba řečeno, je mírou toho, jak je systém zmatený a neuspořádaný. A entropie není symetrická. Tomu se říká druhý termodynamický zákon: Víme, že v dlouhodobém horizontu se entropie jakéhokoli dostatečně velkého systému bude vždy zvyšovat – bude přecházet z uspořádaného stavu do méně uspořádaného.

Představte si, že byste do solničky nasypali sůl do poloviny a pak ji doplnili pepřem. Zpočátku by to vypadalo úhledně vrstvené; ale při každém pohybu nebo zatřesení by se vám sůl a pepř stále více míchaly a rozrušovaly. To je entropie. A protože je to jednosměrný proces, mnoho fyziků vyslovilo hypotézu, že nějakým způsobem určuje směr, kterým směřuje šipka času.

Tato vysvětlení však mají dva závažné problémy. První spočívá v tom, že entropie má horní limitnaše slánka a pepřenka může být jen tak nahodilá, dokud ji zatřesením nezneuspořádáme ještě více. Za druhé, abyste viděli nárůst entropie (a tím vytvořili tuto šipku času), museli byste mít speciální výchozí konfiguraci, v níž by slánka a pepřenka byly uspořádány na začátku. Pokud se podíváme na náš vlastní vesmír, volá to po vysvětlení vysoce organizovaný počáteční stav je velmi, velmi nepravděpodobná náhodná konfigurace.

Vy jste vytvořil model, který ukazuje, že tyto problémy lze skutečně obejít, když se podíváte na vlastnost zvanou složitost. Můžete to vysvětlit?“

Vytvořili jsme model, který je aproximací velkoškálového vesmíru, kde je dominantní silou gravitace a vesmír je naplněn částicemi. Mějte na paměti, že jde o zjednodušenou aproximaci. Nezahrnujeme například žádné další síly ani nic jako gravitační vlny nebo temnou hmotu.

Nyní je důvod, proč jsme nepotřebovali žádné zvláštní výchozí podmínky pro vytvoření šipky času, komplikovaný, ale má kořeny v tom, že gravitace je na rozdíl od všech ostatních sil univerzálně přitažlivá. (Zatímco silné a slabé síly a elektromagnetismus mohou různé typy částic tlačit nebo přitahovat, gravitace pouze přitahuje.) To je důležité. Protože zatímco kombinace přitažlivosti a odpudivosti nevyhnutelně vytvoří jakousi chaotickou rovnováhu, stálá přitažlivost gravitace bude neustále pěstovat jakousi strukturu, z níž můžeme odvodit šipku času.

Z hlediska našeho modelu to znamená, že za předpokladu libovolného náhodného počátečního rozptýlení částic se s nástupem gravitace vesmír roztříští do shluků, které jsou stále hustší a hustší; náš model se sráží do těchto malých subsystémů. Pokud vám to pomůže, můžete si je představit jako kulové hvězdokupy. hadicové hvězdokupy, protože si vyvinuly vlastní určitou rotaci, energii a hybnost, vlastně shromažďovaly informace o zbytku modelu. Prostřednictvím svých různých vlastností zakódovaly údaje o tom, jak vypadala minulá struktura modelu, což je do jisté míry obdoba historické knihy. Jinými slovy, ukazovaly jeden směr v čase.

Vraťme se na chvíli zpět. Pokud se zabýváme pouze gravitací, proč se váš model nezhroutil sám do sebe?“

To je zajímavá poznámka. Víme, že když se podíváme na vesmír jako celek, tak se rozpíná. Toto rozpínání jsme implementovali do našeho modelu tím, že říkáme, že poměr největší a nejmenší vzdálenosti mezi částicemi se neustále zvětšuje.

To bylo klíčové, protože v tomto rozpínajícím se systému, kde převládá gravitace, okamžitě vidíte, že se děje něco velmi zajímavého. Složitost vesmíru (a my používáme „složitost“ jako přesnou fyzikální veličinu pro popis toho, jak je náš model shlukovitý) roste bezezbytku. Zjistili jsme, že můžete vytvořit model, kde složitost systému roste neomezeně, bez ohledu na to, jakou výchozí pozici zadáte.

A co všechny ostatní fyzikální jevy, které nesouvisejí s gravitací? Proč je vždy vidíme pohybovat se v čase jedním směrem?“

Vlastně na tom právě pracujeme a já se pokusím zjednodušit naše první závěry. Jedním skvělým příkladem je, že když se podíváte na rozpadající se atom, vždy zjistíte, že se rozpadá na lehčí atom, nikdy na těžší. To se řídí šipkou času a zdánlivě to nemá nic společného s gravitací, že? Ne tak docela. Musíte si uvědomit, že ten atom muselo něco uvést do zvláštního výchozího stavu, kdy byl schopen rozpadu.

Takový atom jsme zatím nepopsali. Ale máme model, v němž raný vesmír, kdy byla dominantní silou gravitace, generuje velmi netypické počáteční stavy. A jak se vesmír rozpínal a gravitace přestala být dominantní silou pro malé subsystémy, jako je atom, tyto počáteční stavy nějakým způsobem donutily všechny ostatní šipky času, aby pochodovaly v souladu s nimi.

Takže mi chcete říct, že je možné, aby měl raný vesmír více šipek času, které se pohybovaly různými směry?

Ano, je to možné. Tomuto procesu vlastně říkáme hylogeneze – představa, že v určité fázi raného vesmíru byly různé šipky času neuspořádané. Ale protože gravitace byla dominantní silou, nakonec je všechny postrčila tak, aby směřovaly stejným směrem. Před tímto okamžikem neexistoval časoprostor v tom smyslu, v jakém ho v současnosti vnímáme.

.