Caroline Purser/Getty Images

Czym jest strzałka czasu i dlaczego od prawie stulecia zaskakuje fizyków?

Strzałkę czasu można wyjaśnić raczej prosto, jako obserwację, że pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość. Mamy dostęp do książek historycznych i wszystkich innych rodzajów zapisów o tym, co było przed nami, ale nie ma takich informacji z drugiej strony.

Teraz, to może wydawać się uproszczone, ale jest tu pewna zagadka. Prawa fizyki są symetryczne, co oznacza, że działają niezależnie od tego, w którą stronę poruszasz się w czasie. Na przykład, wyobraź sobie, że oglądałeś film, na którym jajko spada ze stołu i rozbija się na podłodze. Jeśli oglądałeś ten sam film na przewijaniu, gdzie wszystkie pęknięcia i kawałki rozbitego jajka zgrabnie się reorganizują, a ta energia reformacji zmusza jajko do przeskoczenia z powrotem na talerz stołu, to również jest zgodne z prawami fizyki.

Więc teraz mamy pytanie. Dlaczego wszędzie, gdzie spojrzymy, zawsze widzimy pierwszy scenariusz, a nigdy drugi?

Czy mamy jakieś wiarygodne wyjaśnienia?

Jest wiele różnych wyjaśnień, a większość z nich obraca się wokół idei, że strzałka czasu jest zasadniczo generowana przez wzrost entropii. Entropia, bardzo z grubsza rzecz ujmując, jest miarą tego, jak chaotyczny i nieuporządkowany jest system. A entropia nie jest symetryczna. Nazywa się to drugim prawem termodynamiki: Wiemy, że w długim okresie czasu każdy wystarczająco duży system zawsze będzie zwiększał entropię – będzie przechodził ze stanu uporządkowanego do mniej uporządkowanego.

Wyobraź sobie, że wsypałeś solniczkę do połowy wypełnioną solą, a następnie uzupełniłeś ją pieprzem. Na początku wyglądałoby to porządnie, ale za każdym razem, gdy się poruszysz lub potrząśniesz, sól i pieprz będą się coraz bardziej mieszać i nieuporządkowane. To jest właśnie entropia. A ponieważ jest to proces jednokierunkowy, wielu fizyków wysunęło hipotezę, że w jakiś sposób dyktuje ona kierunek, w którym zmierza strzałka czasu.

Ale te wyjaśnienia mają dwa poważne problemy. Pierwszym z nich jest to, że entropia ma górną granicę – nasza solniczka i pieprzniczka mogą być tylko tak przypadkowe, aż potrząsanie nimi nie sprawi, że staną się bardziej nieuporządkowane. Po drugie, aby zaobserwować wzrost entropii (a tym samym wygenerować strzałkę czasu) potrzebna jest specjalna konfiguracja wyjściowa, w której sól i pieprz były zorganizowane na początku. Jeśli spojrzymy na nasz własny wszechświat, to aż prosi się o wyjaśnienie – wysoce zorganizowany stan początkowy jest bardzo, bardzo mało prawdopodobną konfiguracją losową.

Wykreowałeś model, który pokazuje, że można faktycznie obejść te problemy patrząc na właściwość zwaną złożonością. Czy możesz to wyjaśnić?

Stworzyliśmy model, który jest przybliżeniem wszechświata o dużej skali, gdzie grawitacja jest dominującą siłą, a wszechświat jest wypełniony cząsteczkami. Należy pamiętać, że jest to uproszczone przybliżenie. Na przykład, nie uwzględniamy żadnej z innych sił, ani niczego takiego jak fale grawitacyjne czy ciemna materia.

Teraz, powód, dla którego nie potrzebujemy żadnych specjalnych warunków początkowych, aby wygenerować strzałkę czasu jest skomplikowany, ale jest zakorzeniony w fakcie, że grawitacja, w przeciwieństwie do wszystkich innych sił, jest uniwersalnie przyciągająca. (Podczas gdy silne i słabe siły oraz elektromagnetyzm mogą pchać lub ciągnąć różne typy cząstek, grawitacja tylko przyciąga). Jest to ważne. Ponieważ podczas gdy kombinacja przyciągania i odpychania nieuchronnie stworzy rodzaj chaotycznej równowagi, stałe przyciąganie grawitacji będzie nieustannie powiększać pewien rodzaj struktury, z której możemy wyprowadzić strzałkę czasu.

Co to oznacza z perspektywy naszego modelu jest to, że biorąc pod uwagę jakiekolwiek losowe początkowe rozproszenie cząstek, gdy grawitacja zaczyna ciągnąć, wszechświat fragmentuje się w skupiska, które stają się coraz gęstsze i gęstsze; nasz model skoagulował się w te małe podsystemy. Jeśli to pomoże, można o nich myśleć jak o kulistych skupiskach gwiazd. Skupiska węży, ponieważ wykształciły własną określoną rotację, energię i pęd, w rzeczywistości zbierały informacje o reszcie modelu. Zakodowały dane o tym, jak wyglądała struktura modelu w przeszłości, poprzez swoje różne własności, trochę analogicznie do książki historycznej. Innymi słowy, wskazywały jedną drogę w czasie.

Powróćmy jeszcze na chwilę. Jeśli patrzymy tylko na grawitację, to dlaczego twój model nie zawalił się sam na siebie?

To interesujący punkt. Wiemy, że kiedy patrzysz na wszechświat jako całość, rozszerza się on. Wprowadziliśmy tę ekspansję do naszego modelu mówiąc, że stosunek największej i najmniejszej odległości między cząstkami stale rośnie.

To było kluczowe, ponieważ w tym rozszerzającym się systemie, w którym dominuje grawitacja, natychmiast widać, że dzieje się coś bardzo interesującego. Złożoność wszechświata (używamy pojęcia „złożoność” jako precyzyjnej wielkości fizycznej do opisania stopnia zagęszczenia naszego modelu) rośnie bez końca. Stwierdziliśmy, że można stworzyć model, w którym złożoność systemu rośnie w sposób nieograniczony, niezależnie od tego, jaką pozycję wyjściową wprowadzimy.

Ale co z wszystkimi innymi zjawiskami fizycznymi, które nie są związane z grawitacją? Dlaczego zawsze widzimy je poruszające się w czasie w jedną stronę?

Właściwie pracujemy nad tym teraz i postaram się uprościć nasze wczesne wnioski. Jednym z doskonałych przykładów jest to, że jeśli spojrzymy na rozpadający się atom, zawsze zauważymy, że rozpada się on na lżejszy atom, nigdy na cięższy. To podąża za strzałką czasu i pozornie nie ma nic wspólnego z grawitacją, prawda? Nie do końca. Musisz zdać sobie sprawę, że dla tego atomu coś musiało wprowadzić go w specjalny stan początkowy, w którym mógł się rozpadać.

Nie mamy jeszcze opisanego takiego atomu. Ale mamy model, w którym wczesny wszechświat, kiedy grawitacja była dominującą siłą, generuje bardzo nietypowe stany początkowe. I kiedy wszechświat się rozszerzał, a grawitacja przestała być dominującą siłą dla małych podsystemów takich jak atom, te stany początkowe w jakiś sposób zmusiły wszystkie inne strzałki czasu do maszerowania zgodnie z nimi.

Więc mówisz mi, że jest możliwe, że wczesny wszechświat miał wiele strzałek czasu, poruszających się w różnych kierunkach?

Tak, jest to możliwe. Właściwie nazywamy ten proces hylogenezą – ideą, że na pewnym etapie we wczesnym wszechświecie różne strzałki czasu były nieuporządkowane. Ale ponieważ grawitacja była dominującą siłą, w końcu popchnęła je wszystkie w tym samym kierunku. Przed tym punktem nie było czasoprzestrzeni w sensie, w jakim obecnie jej doświadczamy.

.