Jak grawitacja może wyjaśnić, dlaczego czas płynie tylko do przodu?

Nie możemy zatrzymać czasu. Nawet w korku, gdy czas zdaje się zamarzać i zatrzymywać. Oszczędzanie światła w ciągu dnia również nie pomaga, czas nieuchronnie dąży do przodu. Dlaczego nie wrócisz? Dlaczego pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość? Fizycy uważają, że odpowiedź na to głębokie i złożone pytanie może kryć się w dobrze znanej nam wszystkim grawitacji..

Podstawowe prawa fizyki wcale nie obchodzą, w jakim kierunku porusza się czas. Na przykład reguły regulujące orbity planet działają niezależnie od tego, czy poruszasz się do przodu, czy do tyłu w czasie. Możesz zobaczyć ruchy w układzie słonecznym w odwrotnej kolejności i będą wyglądać zupełnie normalnie, bez naruszania praw fizyki. Co odróżnia przyszłość od przeszłości?

„Problem strzały czasu zawsze przeszkadzał ludziom” - mówi Flavio Mercati z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie..

Większość ludzi, którzy myślą o strzale czasu, mówi, że jest ona określona przez entropię, ilość zamieszania (chaosu) w systemie, czy to miskę owsianki czy wszechświata. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki całkowita entropia systemu zamkniętego zawsze rośnie. Gdy entropia rośnie, czas porusza się w tym samym kierunku..

Kiedy kostka lodu w twojej szklance topi się i rozcieńcza na przykład whisky i koks, entropia rośnie. Kiedy łamiesz jajko, entropia rośnie. Oba przykłady są nieodwracalne: nie można zamrozić kostki lodu w szklance z ciepłą colą ani ponownie zebrać jajka. Sekwencja zdarzeń - a zatem czas - porusza się tylko w jednym kierunku..

Jeśli strzała czasu podąża za wzrostem entropii, a entropia we Wszechświecie zawsze wzrasta, to w pewnym momencie w przeszłości entropia powinna być niska. Tu rodzi się tajemnica: dlaczego entropia Wszechświata była na początku niska?

Według Mercatiego i jego kolegów nie było żadnego szczególnego stanu początkowego. Zamiast tego, stan, który wskazywał na czas do przodu, pojawił się naturalnie we wszechświecie pod wpływem grawitacji. Argument ten został ujawniony przez naukowców w niedawno opublikowanym artykule w Physical Review Letters..

Aby przetestować swoje pomysły, naukowcy modelowali wszechświat w postaci zbioru tysięcy cząstek, które oddziałują ze sobą tylko za pomocą grawitacji i reprezentują galaktyki i gwiazdy unoszące się w przestrzeni..

Naukowcy odkryli, że niezależnie od pozycji wyjściowych i prędkości, w pewnym momencie cząstki nieuchronnie zostają zgrupowane w kulę, zanim zostaną ponownie rozproszone. Ten moment można nazwać ekwiwalentem Wielkiego Wybuchu, kiedy cały wszechświat kurczy się do nieskończenie małego punktu..

Zamiast używać entropii, naukowcy opisują swój system za pomocą wartości, którą sami nazywają „złożonością”, zdefiniowaną jako przybliżony stosunek odległości między dwoma cząstkami, które są dalej od siebie niż reszta między dwiema najbliższymi cząstkami. . Gdy wszystkie cząsteczki sklejają się ze sobą, splątanie ma najniższą wartość..

Kluczową ideą tego wszystkiego, jak wyjaśnia Mercati, jest: ten moment najmniejszego splątania powstaje naturalnie z grupy oddziałujących grawitacyjnie cząstek - nie są wymagane żadne specjalne warunki. Splątanie wzrasta, gdy cząstki rozchodzą się, reprezentując zarówno ekspansję Wszechświata, jak i ruch czasu do przodu..

Jeśli to nie wystarczy, wydarzenia, które miały miejsce przed zgrupowaniem cząstek - czyli przed Wielkim Wybuchem - poruszyły się w drugim kierunku. Jeśli stracisz wydarzenia z tego punktu, cząstki będą stopniowo rozpraszać się z gromady. W miarę jak splątanie rośnie w przeciwnym kierunku, ta druga strzałka czasu będzie również wskazywać na przeszłość. Który, bazując na drugim kierunku czasu, będzie w rzeczywistości „przyszłością” innego wszechświata, który istnieje po drugiej stronie Wielkiego Wybuchu. Bardzo mylące, zgadzam się.

Ta idea jest podobna do tej, którą zaproponowali 10 lat temu fizycy Sean Carroll i Jennifer Chen z California Institute of Technology. Połączyli strzałę czasu z pomysłami opisującymi inflację, ostrą i szybką ekspansję Wszechświata, która nastąpiła zaraz po Wielkim Wybuchu..

„Interesujące w tej idei jest to, że jest ona z nami dość logicznie związana”, powiedział Carroll, opisując swoją pracę dotyczącą strzałki czasu. „Być może powód, który pamiętamy wczoraj i nie pamiętamy jutro, jest w warunkach związane z Wielkim Wybuchem.

Powiązanie kierunku czasu z prostym systemem fizyki klasycznej jest stosunkowo nowe, mówi fizyk Steve Carlip z University of California, Davis. Nowością jest porzucenie entropii na rzecz idei splątania. Problem entropii polega na tym, że jest ona definiowana w kategoriach energii i temperatury, które są mierzone przez zewnętrzny mechanizm, taki jak termometr. W przypadku wszechświata nie ma zewnętrznego mechanizmu, więc potrzebujesz wartości, która nie zależy od żadnej jednostki miary. Zamieszanie jest natomiast bezwymiarową postawą i spełnia wszystkie wymagania..

Nie oznacza to, że entropia musi być całkowicie porzucona. Nasze codzienne doświadczenie - jak twoja chłodna lemoniada - opiera się na entropii. Jednak rozważając kwestię czasu w skalach kosmicznych, należy użyć terminu splątanie, a nie entropia..

Jednym z głównych ograniczeń tego modelu jest to, że jest on tworzony wyłącznie na podstawie fizyki klasycznej, całkowicie ignorując mechanikę kwantową. Nie obejmuje też ogólnej teorii względności Einsteina. Nie ma ciemnej energii ani niczego, co jest potrzebne do stworzenia dokładnego modelu wszechświata. Naukowcy zastanawiają się jednak, w jaki sposób włączyć do modelu bardziej realistyczną fizykę, co mogłoby następnie umożliwić weryfikowalne prognozy..

„Dla mnie dużym problemem jest to, że istnieje wiele różnych fizycznych strzał czasu”, mówi Carlip. Bezpośredni kierunek czasu najczęściej manifestuje się, całkowicie bez połączenia grawitacji. Na przykład światło jest zawsze emitowane z lampy - i nigdy w jej kierunku. Radioaktywne izotopy rozpadają się na lżejsze atomy, nigdy na odwrót. Dlaczego zatem strzała czasu wyłaniająca się z grawitacji popycha inne strzały czasu w tym samym kierunku?

„To duże pytanie, które pozostaje otwarte. Myślę, że dopóki nikt nie ma dobrej odpowiedzi na to pytanie”.