Caroline Purser/Getty Images

Mi az idő nyila, és miért zavarja a fizikusokat közel egy évszázada?

Az idő nyila meglehetősen egyszerűen azzal a megfigyeléssel magyarázható, hogy a múltra emlékszünk, de a jövőre nem. Hozzáférünk a történelemkönyvekhez és minden más típusú feljegyzéshez arról, ami előttünk történt, de a másik irányból nincs ilyen információnk.

Nos, ez talán leegyszerűsítőnek tűnik, de van itt egy rejtély. A fizika törvényei szimmetrikusak, ami azt jelenti, hogy attól függetlenül működnek, hogy melyik irányba mozogsz az időben. Képzeld el például, hogy megnéztél egy filmet, amin egy tojás leesik az asztalról, és összetörik a padlón. Ha ugyanezt a filmet visszatekerve néznéd, ahol a törött tojás minden repedése és darabja szépen újrarendeződik, és ez az újjáalakulási energia arra kényszeríti a tojást, hogy visszaugorjon az asztalkára, az is a fizika törvényeinek engedelmeskedik.

Tehát most már van egy kérdésünk. Miért van az, hogy bárhová nézünk, mindig az első forgatókönyvet látjuk, és soha nem a másodikat?

Valószínű magyarázataink vannak?

Sokféle magyarázat létezik, és a legtöbbjük az az elképzelés körül forog, hogy az idő nyilát alapvetően az entrópia növekedése hozza létre. Az entrópia, nagyon durván szólva, annak a mértéke, hogy mennyire kusza és rendezetlen egy rendszer. Az entrópia pedig nem szimmetrikus. Ezt nevezik a termodinamika második törvényének: Tudjuk, hogy hosszú távon bármely elég nagy rendszer entrópiája mindig növekedni fog – egy rendezett állapotból egy kevésbé rendezett állapotba kerül.

Képzeljük el, hogy egy sószórót félig teleöntünk sóval, majd megtöltjük borssal. Eleinte szépen rétegzettnek tűnne; de minden alkalommal, amikor megmozdítod vagy megrázod, a só és a bors egyre inkább összekeveredik és rendezetlenné válik. Ez az entrópia. És mivel ez egy egyirányú folyamat, sok fizikus azt feltételezi, hogy valahogyan ez diktálja az idő nyilának irányát.

De ezeknek a magyarázatoknak két komoly problémája van. Az első az, hogy az entrópiának van egy felső határa, hogy a só- és borsszórónk csak addig tud véletlenszerűvé válni, amíg a rázogatástól már nem lesz rendezetlenebb. Másodszor, ahhoz, hogy az entrópia növekedését lássuk (és így létrehozzuk ezt az időnyilat), egy speciális kiindulási konfigurációra lenne szükségünk, ahol a só és a bors eleve rendezett volt. Ha megnézzük a saját univerzumunkat, ez magyarázatért kiált – egy erősen szervezett kezdeti állapot nagyon-nagyon valószínűtlen véletlenszerű konfiguráció.

Egy olyan modellt alkottál, amely megmutatja, hogy valójában megkerülheted ezeket a problémákat, ha egy komplexitásnak nevezett tulajdonságot vizsgálsz. Meg tudod ezt magyarázni?

Elkészítettünk egy modellt, amely a nagy léptékű univerzum közelítése, ahol a gravitáció az uralkodó erő, és az univerzum tele van részecskékkel. Ne feledjük, hogy ez egy egyszerűsített közelítés. Nem számoltuk bele például a többi erőt, sem a gravitációs hullámokat, sem a sötét anyagot.

Nos, az ok, amiért nem volt szükségünk semmilyen különleges kiindulási feltételre ahhoz, hogy létrehozzuk az idő nyilát, bonyolult, de abban a tényben gyökerezik, hogy a gravitáció, ellentétben a többi erővel, univerzálisan vonzó. (Míg az erős és a gyenge erő, valamint az elektromágnesesség különböző típusú részecskéket tolhat vagy vonzhat, addig a gravitáció csak vonz.) Ez fontos. Mert míg egy vonzás és egy taszítás kombinációja elkerülhetetlenül egyfajta kaotikus egyensúlyt hoz létre, addig a gravitáció állandó vonzása folyamatosan egyfajta struktúrát növeszt, amelyből levezethetjük az idő nyilát.

Ez a mi modellünk szempontjából azt jelenti, hogy a részecskék bármilyen véletlenszerű kezdeti szóródása esetén, ahogy a gravitáció elkezd vonzani, a világegyetem egyre sűrűbb és sűrűbb halmazokká töredezik; a mi modellünk ezekre a kis alrendszerekre koagulál. Ha ez segít, úgy gondolhatsz rájuk, mint a csillagok gömbhalmazaira. a tömlőhalmazokmert kialakult a saját határozott forgásuk, energiájuk és lendületükgyakorlatilag információkat gyűjtöttek a modell többi részéről. Különböző tulajdonságaik révén – némileg egy történelemkönyvhöz hasonlóan – adatokat kódoltak arról, hogyan nézett ki a modell múltbeli szerkezete. Más szóval, egy irányba mutattak az időben.

Vissza egy pillanatra. Ha csak a gravitációt nézzük, akkor miért nem omlott össze a modelled egyszerűen önmagában?

Ez egy érdekes kérdés. Tudjuk, hogy ha az univerzum egészét nézzük, akkor az tágul. Ezt a tágulást úgy implementáltuk a modellünkbe, hogy azt mondjuk, hogy a részecskék közötti legnagyobb és legkisebb távolság aránya folyamatosan növekszik.

Ez kulcsfontosságú volt, mert ebben a táguló rendszerben, ahol a gravitáció dominál, azonnal valami nagyon érdekes dolog történik. A világegyetem komplexitása (és a “komplexitást” pontos fizikai mennyiségként használjuk arra, hogy leírjuk, mennyire halmazos a modellünk) vég nélkül növekszik. Azt találtuk, hogy létrehozhatunk egy olyan modellt, amelyben a rendszer komplexitása korlátlanul növekszik, függetlenül attól, hogy milyen kiindulási helyzetet adunk meg.

De mi a helyzet az összes többi fizikai jelenséggel, amelyek nem a gravitációhoz kapcsolódnak? Miért látjuk, hogy azok mindig egy irányba mozognak az időben?

Valójában most éppen ezen dolgozunk, és megpróbálom leegyszerűsíteni a korai következtetéseinket. Az egyik nagyszerű példa az, hogy ha megnézünk egy bomló atomot, mindig azt találjuk, hogy egy könnyebb atomra bomlik, soha nem egy nehezebbre. Ez az idő nyilát követi, és látszólag semmi köze a gravitációhoz, igaz? Nem egészen. Tudomásul kell vennünk, hogy az atomot valaminek egy különleges kiindulási állapotba kellett hoznia, ahol képes volt bomlani.

Egy ilyen atomot még nem írtunk le. De van egy modellünk, amelyben a korai univerzum, amikor a gravitáció volt a domináns erő, nagyon atipikus kiindulási állapotokat hoz létre. És ahogy a világegyetem tágult, és a gravitáció megszűnt domináns erő lenni az olyan kis alrendszerek számára, mint az atom, ezek a kiinduló állapotok valahogy arra kényszerítették az idő összes többi nyilát, hogy lépésben haladjanak.

Azt akarod mondani, hogy lehetséges, hogy a korai univerzumban több időnyíl volt, amelyek különböző irányba mozogtak?

Igen, lehetséges. Valójában ezt a folyamatot hylogenezisnek nevezzük azt az elképzelést, hogy a korai univerzum egy bizonyos szakaszában az idő különböző nyilai mind rendezetlenek voltak. De mivel a gravitáció volt az uralkodó erő, végül mindegyiket ugyanabba az irányba terelte. Ezt megelőzően nem létezett téridő abban az értelemben, ahogyan azt jelenleg tapasztaljuk.

oldalon.