Ce este săgeata timpului și de ce i-a nedumerit pe fizicieni timp de aproape un secol?

Săgeata timpului poate fi explicată destul de simplu ca fiind observația că ne amintim trecutul și nu viitorul. Avem acces la cărțile de istorie și la toate celelalte tipuri de înregistrări despre ceea ce a fost înaintea noastră, dar nu avem astfel de informații din cealaltă direcție.

Acum, acest lucru poate părea simplist, dar există o enigmă aici. Legile fizicii sunt simetrice, ceea ce înseamnă că ele funcționează indiferent de direcția în care te deplasezi în timp. De exemplu, imaginați-vă că ați vizionat un film cu un ou care cade de pe o masă și se sparge pe podea. Dacă ați viziona același film în reluare, cu toate crăpăturile și bucățile oului spart reorganizându-se frumos, iar această energie de reformare forțând oul să sară înapoi pe masă, acest lucru se supune, de asemenea, legilor fizicii.

Deci acum avem o întrebare. De ce oriunde ne uităm, vedem întotdeauna primul scenariu și niciodată al doilea?

Avem vreo explicație plauzibilă?

Există multe explicații diferite, iar cele mai multe dintre ele se învârt în jurul ideii că săgeata timpului este practic generată de o creștere a entropiei. Entropia, foarte grosso modo, este o măsură a cât de dezordonat și dezordonat este un sistem. Iar entropia nu este simetrică. Aceasta se numește a doua lege a termodinamicii: Știm că, pe termen lung, orice sistem suficient de mare va crește întotdeauna în entropie – va trece de la o stare ordonată la o stare mai puțin ordonată.

Imaginați-vă că ați turnat o sărăriță pe jumătate plină cu sare, iar apoi ați completat-o cu piper. La început ar părea bine stratificată; dar de fiecare dată când o mișcați sau o scuturați, sarea și piperul se vor amesteca și se vor dezordona din ce în ce mai mult. Aceasta este entropia. Și pentru că este un proces unidirecțional, mulți fizicieni au emis ipoteza că ea dictează cumva direcția în care se îndreaptă săgeata timpului.

Dar aceste explicații au două probleme serioase. Prima este că entropia are o limită superioară: shakerul nostru de sare și piper nu poate deveni atât de aleatoriu, până când scuturarea lui nu îl face mai dezordonat. În al doilea rând, pentru a vedea o creștere a entropiei (și, prin urmare, pentru a genera această săgeată a timpului) ați avea nevoie de o configurație inițială specială în care sarea și piperul să fie organizate de la început. Dacă ne uităm la propriul nostru univers, acest lucru strigă după o explicațieo stare inițială foarte organizată este o configurație aleatorie foarte, foarte puțin probabilă.

Ai creat un model care arată că poți de fapt să ocolești aceste probleme dacă te uiți la o proprietate numită complexitate. Puteți explica acest lucru?

Am realizat un model care este o aproximare a universului la scară mare, în care gravitația este forța dominantă, iar universul este plin de particule. Rețineți că este o aproximare simplificată. De exemplu, nu includem niciuna dintre celelalte forțe, sau ceva precum undele gravitaționale sau materia întunecată.

Acum, motivul pentru care nu am avut nevoie de condiții speciale de pornire pentru a genera o săgeată a timpului este complicat, dar este înrădăcinat în faptul că gravitația, spre deosebire de toate celelalte forțe, este universal atrăgătoare. (În timp ce forțele puternice și slabe și electromagnetismul pot împinge sau atrage diferite tipuri de particule, gravitația doar atrage). Acest lucru este important. Pentru că, în timp ce combinația dintre o atracție și o respingere va crea în mod inevitabil un fel de echilibru haotic, atracția constantă a gravitației va crește continuu un fel de structură, din care putem deriva o săgeată a timpului.

Ceea ce înseamnă acest lucru din perspectiva modelului nostru este că, dată fiind orice împrăștiere inițială aleatorie de particule, pe măsură ce gravitația începe să tragă, universul se fragmentează în clustere care devin din ce în ce mai dense; modelul nostru s-a coagulat în aceste mici subsisteme. Dacă vă ajută, vă puteți gândi la ele ca la niște roiuri globulare de stele. roiurile de furtunuri, deoarece și-au dezvoltat propria rotație, energie și momentum definite, au colectat de fapt informații despre restul modelului. Ei au codificat date despre cum arăta structura trecută a modelului prin intermediul diverselor lor proprietăți, oarecum asemănător cu o carte de istorie. Cu alte cuvinte, ele indicau o direcție în timp.

Întoarceți-vă pentru o secundă. Dacă ne uităm doar la gravitație, atunci de ce modelul tău nu s-a prăbușit pur și simplu peste el însuși?

Este un punct de vedere interesant. Știm că atunci când privim universul ca întreg, acesta se extinde. Am implementat această expansiune în modelul nostru spunând că raportul dintre cea mai mare și cea mai mică distanță dintre particule este în continuă creștere.

Aceasta a fost cheia, deoarece în acest sistem în expansiune în care gravitația este dominantă, vedeți imediat că se întâmplă ceva foarte interesant. Complexitatea universului (și folosim „complexitate” ca o cantitate fizică precisă pentru a descrie cât de aglomerat este modelul nostru) crește fără sfârșit. Am descoperit că se poate crea un model în care complexitatea sistemului crește fără limite, indiferent de poziția de pornire pe care o introduceți.

Dar ce se întâmplă cu toate celelalte fenomene fizice care nu sunt legate de gravitație? De ce le vedem întotdeauna pe acestea mișcându-se într-un singur sens în timp?

De fapt, lucrăm la asta chiar acum și voi încerca să simplificăm primele noastre concluzii. Un exemplu grozav este că, dacă vă uitați la un atom în descompunere, descoperiți întotdeauna că acesta se descompune într-un atom mai ușor, niciodată într-unul mai greu. Acest lucru urmează o săgeată a timpului și, aparent, nu are nimic de-a face cu gravitația, nu-i așa? Nu chiar. Trebuie să vă dați seama că, în cazul acelui atom, ceva a trebuit să îl pună într-o stare inițială specială în care a fost capabil să se dezintegreze.

Noi nu am descris încă un astfel de atom. Dar avem un model în care universul timpuriu, când gravitația era forța dominantă, generează stări inițiale foarte atipice. Și pe măsură ce universul s-a extins, iar gravitația a încetat să mai fie forța dominantă pentru subsisteme mici precum atomul, aceste stări de pornire au forțat cumva toate celelalte săgeți ale timpului să mărșăluiască în pas.

Înseamnă că îmi spuneți că este posibil ca universul timpuriu să fi avut mai multe săgeți ale timpului, care se mișcau în direcții diferite?

Da, este posibil. Noi numim de fapt acest proces hylogenesist ideea că la un moment dat în universul timpuriu diferitele săgeți ale timpului erau toate dezordonate. Dar, deoarece gravitația a fost forța dominantă, în cele din urmă le-a împins pe toate să arate în aceeași direcție. Înainte de acel moment, nu exista spațiu-timp în sensul în care îl experimentăm în prezent.

.