時間の矢とは何か、そしてなぜそれが1世紀近く物理学者を困惑させてきたのか。

時間の矢は、むしろ我々が過去を覚えているのに、未来のことを知らないという観察として簡単に説明することができます。 私たちは歴史書や他のあらゆる種類の記録にアクセスすることができますが、反対方向からのそのような情報はないのです。

さて、これは単純に見えるかもしれませんが、ここに難問があります。 物理法則は対称的であり、時間的にどちらへ移動しても機能します。 例えば、卵がテーブルから落ちて床に落ちる動画を見たとします。 割れた卵の割れ目や破片がきれいに再構成され、その再構成エネルギーによって卵が再びテーブルの上に飛び出す、その同じ映画を巻き戻しで見たとしても、これも物理法則に従ったものなのです。

さて、ここで疑問が生じます。 なぜ、私たちはどこを見ても、いつも最初のシナリオを見て、2番目のシナリオを見ないのでしょうか？

何かもっともらしい説明はありますか。

さまざまな説明がありますが、そのほとんどは、時間の矢は基本的にエントロピーの増加によって生じるという考えを中心に展開されています。 エントロピーとは、非常に大雑把に言えば、あるシステムがどれだけ混乱し、無秩序になっているかを示す尺度です。 そして、エントロピーは対称的ではありません。 これは熱力学の第二法則と呼ばれるものです。 十分大きなシステムであれば、長期的には必ずエントロピーが増大し、秩序ある状態からより秩序のない状態へと移行することが分かっています。

塩入れに塩を半分入れ、その上にコショウをかけたとします。 最初はきれいに重なっているように見えますが、動かしたり振ったりするたびに、塩と胡椒はますます混ざり合って無秩序になります。 これがエントロピーです。 エントロピーは一方向のプロセスであるため、多くの物理学者が、時間の矢印が向いている方向がエントロピーによって決定されると仮定しています。

しかし、これらの説明には2つの重大な問題がある。 1つは、エントロピーには上限があり、塩コショウ入れを振ってもこれ以上乱れが大きくならない程度までしかランダム化できないことです。 第二に、エントロピーが増大する（つまり、時間の矢が発生する）には、塩と胡椒が最初に組織化された特別な出発点が必要である。 私たちの宇宙を見てみると、高度に組織化された初期状態は、非常に、非常にありえないランダムな構成であることがよくわかります。

あなたは、複雑さと呼ばれる性質に注目することで、実際にこれらの問題を回避できることを示すモデルを作成しました。 5615>

私たちは、重力が支配的で、宇宙が粒子で満たされている、大規模な宇宙の近似モデルを作りました。 簡略化された近似値であることに留意してください。 例えば、他の力、重力波や暗黒物質などは一切含んでいません。

さて、時間の矢を生成するために特別な開始条件を必要としなかった理由は複雑ですが、重力が他のすべての力と異なり、普遍的に引き合うという事実に根ざしています。 (強い力、弱い力、電磁気学は異なる種類の粒子を押したり引いたりすることができますが、重力は引くのみです)。 これは重要なことです。 なぜなら、引力と斥力の組み合わせは、必然的にある種のカオス的な均衡を生み出すが、重力の一定の引力は、絶えずある種の構造を育て、そこから時間の矢を導き出すことができる。

私たちのモデルの観点からのこの意味は、任意のランダムな粒子の初期散乱を与えると、重力が引き始めると、宇宙はクラスターに分裂し、どんどん密度が濃くなるということです。 ホースクラスターは、独自の回転、エネルギー、運動量を持つため、モデルの他の部分に関する情報を収集しているのです。 球状星団は、そのさまざまな性質を通して、モデルの過去の構造がどのようなものであったかというデータを符号化したもので、いわば歴史書のようなものである。 言い換えれば、それらは時間的に一つの方向を示しているのです。

ちょっと話を戻します。 もし私たちが重力だけを見ているなら、なぜあなたのモデルはそれ自体で崩壊しなかったのでしょうか？

それは興味深い点です。 宇宙を全体として見ると、膨張していることが分かっています。 私たちは、粒子間の距離の最大と最小の比率が常に増加していると言うことで、この膨張をモデルに実装しています。

これが鍵でした。重力が支配するこの膨張する系では、すぐに非常に興味深いことが起こるのがわかるからです。 宇宙の複雑さ（私たちのモデルがどれだけクラスター化されているかを表す正確な物理量として「複雑さ」を使っています）は、際限なく大きくなっていくのです。 私たちは、どのような開始位置を入力しても、システムの複雑さが際限なく増大するようなモデルを作ることができることを発見したのです。

しかし、重力に関係しない他の物理現象はどうでしょうか？

私たちは今実際にそのことに取り組んでいるのですが、初期の結論を単純化してみますね。 1 つの素晴らしい例として、崩壊する原子を見ると、常に軽い原子に崩壊し、決して重い原子にはならないことがわかります。 これは「時間の矢」であり、一見、重力とは関係ないように見えますが、実際はどうなのでしょうか？ そうではありません。 その原子が崩壊するためには、何かがその原子を特別な状態にしなければならないのです。

私たちはまだそのような原子を記述していません。 しかし、重力が支配的であった初期の宇宙では、非常に非定型な出発状態を生み出すというモデルはあります。 そして宇宙が拡大し、原子のような小さなサブシステムにとって重力が支配的でなくなると、それらの出発点は何らかの形で他のすべての時間の矢を歩調を合わせて行進させることになるのです。

つまり、初期の宇宙には複数の時間の矢があり、それぞれ異なる方向に動いていた可能性があるということですね？

はい、ありえます。 私たちは実際にこのプロセスを「ハイロジェネシス」と呼んでいます。 しかし、重力が支配的な力であったため、最終的にはすべての矢印が同じ方向を向くようになったのです。 843>

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