Caroline Purser/Getty Images

Vad är tidspilen och varför har den förbryllat fysikerna i nästan ett sekel?

Tidspilen kan förklaras ganska enkelt som en iakttagelse av att vi minns det förflutna och inte framtiden. Vi har tillgång till historieböcker och alla andra typer av dokument om vad som har hänt före oss, men ingen sådan information från andra hållet.

Nu kan detta verka förenklat, men det finns en gåta här. Fysikens lagar är symmetriska, vilket innebär att de fungerar oavsett åt vilket håll du rör dig i tiden. Tänk dig till exempel att du tittar på en film där ett ägg faller från ett bord och krossas på golvet. Om du tittar på samma film på baksidan med alla sprickor och bitar av det trasiga ägget som snyggt omorganiserar sig själva, och denna omformningsenergi tvingar ägget att hoppa tillbaka på bordet, så lyder det också fysikens lagar.

Så nu har vi en fråga. Varför är det så att överallt där vi tittar ser vi alltid det första scenariot och aldrig det andra?

Har vi några rimliga förklaringar?

Det finns många olika förklaringar, och de flesta av dem kretsar kring idén att tidspilen i grunden genereras av en ökning av entropin. Entropi är mycket grovt sett ett mått på hur rörigt och oordnat ett system är. Och entropi är inte symmetrisk. Detta kallas termodynamikens andra lag: Vi vet att på lång sikt kommer varje tillräckligt stort system alltid att öka i entropi – det kommer att gå från ett ordnat tillstånd till ett mindre ordnat tillstånd.

Föreställ dig att du häller upp en saltstråle halvfull med salt och sedan toppar den med peppar. Det skulle se snyggt ut i lager till en början; men varje gång du rörde eller skakade den skulle ditt salt och din peppar bli alltmer blandade och oordnade. Det är entropi. Och eftersom det är en enkelriktad process har många fysiker antagit att den på något sätt dikterar i vilken riktning tidspilen pekar.

Men dessa förklaringar har två allvarliga problem. Det första är att entropin har en övre gräns – vår salt- och pepparkaksstrykare kan bara bli så pass slumpmässig att det inte blir mer oordnat att skaka den, tills den inte längre blir mer oordnad. För det andra, för att se en ökning av entropin (och därmed generera denna tidspilen) skulle man behöva en speciell startkonfiguration där salt och peppar var organiserade till att börja med. Om vi tittar på vårt eget universum skriker detta efter en förklaringett mycket organiserat utgångsläge är en mycket, mycket osannolik slumpmässig konfiguration.

Du har skapat en modell som visar att man faktiskt kan kringgå dessa problem genom att titta på en egenskap som kallas komplexitet. Kan du förklara det?

Vi skapade en modell som är en approximation av det storskaliga universumet, där gravitationen är den dominerande kraften och universum är fyllt av partiklar. Tänk på att det är en förenklad approximation. Vi inkluderar till exempel inte några av de andra krafterna, eller något som gravitationsvågor eller mörk materia.

Nu är anledningen till att vi inte behövde några speciella startvillkor för att generera en tidspil komplicerad, men den har sin grund i det faktum att gravitationen, till skillnad från alla andra krafter, är universellt attraherande. (Medan de starka och svaga krafterna och elektromagnetismen kan trycka eller dra till sig olika typer av partiklar, drar gravitationen bara till sig). Detta är viktigt. För medan kombinationen av en attraktion och en repulsion oundvikligen kommer att skapa ett slags kaotisk jämvikt, kommer gravitationens konstanta dragningskraft ständigt att växa fram ett slags struktur, från vilken vi kan härleda en tidspil.

Vad detta innebär ur vår modells synvinkel är att givet en slumpmässig initial utspridning av partiklar, när gravitationen börjar dra, splittras universum i kluster som blir tätare och tätare; vår modell koagulerade i dessa små delsystem. Om det hjälper kan man tänka på dem som klotformiga stjärnkluster. slangkluster – eftersom de utvecklade sin egen bestämda rotation, energi och momentum – samlade i själva verket information om resten av modellen. De kodade uppgifter om hur modellens tidigare struktur såg ut genom sina olika egenskaper, något som kan liknas vid en historiebok. Med andra ord pekade de åt ett håll i tiden.

Bakåt för ett ögonblick. Om vi bara tittar på gravitationen, varför kollapsade då inte din modell i sig själv?

Det är en intressant synpunkt. Vi vet att när man tittar på universum som helhet så expanderar det. Vi har implementerat denna expansion i vår modell genom att säga att förhållandet mellan det största och minsta avståndet mellan partiklar ständigt ökar.

Detta var nyckeln, för i detta expanderande system där gravitationen dominerar ser man omedelbart att något mycket intressant händer. Universums komplexitet (och vi använder ”komplexitet” som en exakt fysisk storhet för att beskriva hur klustrad vår modell är) växer utan slut. Vi fann att man kan skapa en modell där systemets komplexitet ökar gränslöst, oavsett vilken utgångsposition man anger.

Men hur är det med alla andra fysiska fenomen som inte är relaterade till gravitationen? Varför ser vi alltid att de rör sig på ett sätt i tiden?

Vi arbetar faktiskt med detta just nu, och jag ska försöka förenkla våra första slutsatser. Ett bra exempel är att om man tittar på en atom som sönderfaller så ser man alltid att den sönderfaller till en lättare atom, aldrig till en tyngre. Detta följer en tidspilar och har till synes inget med gravitation att göra, eller hur? Inte precis. Du måste inse att något måste ha försatt den atomen i ett speciellt starttillstånd där den kunde sönderfalla.

Vi har ännu inte beskrivit en sådan atom. Men vi har en modell där det tidiga universum, när gravitationen var den dominerande kraften, genererar mycket atypiska starttillstånd. Och när universum expanderade, och gravitationen upphörde att vara den dominerande kraften för små delsystem som atomen, tvingade dessa starttillstånd på något sätt alla andra tidspilar att marschera i takt.

Så du menar att det är möjligt att det tidiga universum hade flera tidspilar som rörde sig i olika riktningar?

Ja, det är möjligt. Vi kallar faktiskt denna process för hylogenesistanken att de olika tidspilarna vid något tillfälle i det tidiga universum alla var oordnade. Men eftersom gravitationen var den dominerande kraften tryckte den så småningom på dem alla så att de pekade i samma riktning. Före den punkten fanns det ingen rum-tid i den mening som vi för närvarande upplever den.