Czas - wielka przeszłość, niepewna przyszłość

Wszyscy uważamy za rzecz oczywistą, że strzałka czasu grotem zawsze wskazuje przyszłość. W systemie odciętym od zewnętrznego dopływu energii - a takim, jak się wydaje, jest nasz Wszechświat - sprawy biegną od stanu uporządkowania do jego braku.

Jeśli chodzi o prawa termodynamiki, zasada upływu czasu zgodnie ze strzałką oznacza, że nie można umieścić gorącego przedmiotu w zimnym pomieszczeniu i oczekiwać, że stanie się ono chłodniejsze, a przedmiot bardziej gorący. Różnorodne eksperymenty wykazały, że nawet na poziomie kwantowym cząstki zachowują się zasadniczo w sposób zależny od warunków początkowych. Innymi słowy, posuwają się w określonym przez upływ czasu kierunku, do którego jesteśmy przyzwyczajeni.

Ostatnio coraz częściej pojawiają się jednak sygnały, że coś może być nie tak z naszym rozumieniem czasu. Może nie na tyle, by w ogóle kwestionować jego istnienie, ale żeby zastanowić się nad tym, jak powinniśmy go rozumieć - to na pewno.

W stanie splątania nie ma ogrzewania

Zespół fizyków z Uniwersytetu Federalnego ABC w Brazylii postanowił niedawno przyjrzeć się chloroformowi, którego cząsteczka składa się z atomu węgla połączonego z jednym atomem wodoru i trzema atomami chloru. Naukowcy użyli silnego pola magnetycznego i acetonu, aby móc manipulować właściwościami składników atomów. Umożliwiło to im "wsłuchiwanie się" w zachowanie cząstek podczas stopniowego wzrostu energii jąder wskutek działania rezonansu magnetycznego. Zgodnie z regułą strzałki czasu, "nagrzewające się" jądra atomowe powinny oddać energię chaotycznych ruchów chłodniejszym atomom, aż do momentu, gdy stan energetyczny całości się wyrówna.

Jak powinnismy rozumiec czas?

W normalnych warunkach tak by właśnie się stało. Badacze znaleźli jednak intrygujący wyjątek - przypadek, w którym cząstki były ze sobą skorelowane. Korelacja cząstek powodowała znaczną różnicę w sposobie dystrybucji energii między ciałami w stosunku do tego, co ma miejsce normalnie. Wzbudzone jądra wodoru zaczęły być coraz „gorętsze”, podczas gdy ich zimniejszy zaplątany partner węglowy stawał się "zimniejszy".

Jak podsumowują autorzy eksperymentu, wyniki te są termodynamicznym odpowiednikiem cofania się czasu w bardzo małej skali, wciąż jednak w naszym Wszechświecie, gdzie zasada upływu czasu jest podobno "święta". "Obserwujemy spontaniczny przepływ ciepła z zimnego do gorącego systemu", piszą naukowcy w publikacji, która ukazała się w repozytorium arXiv.org.

Psychologiczna i termodynamiczna strzałka

Stephen Hawking w swojej "Krótkiej historii czasu" napisał, że nieład wzrasta w czasie, ponieważ mierzymy czas w kierunku, w którym ów nieład wzrasta. Sugerowałoby to, że mamy jakiś wybór, że możemy np. obserwować najpierw rozrzucone po podłodze kawałki stłuczonego szkła, potem moment uderzenia szklanki o podłogę, następnie szklankę w powietrzu, a w końcu - w dłoni trzymającego ją człowieka. Nie ma żadnej naukowej zasady nakazującej "psychologicznej strzałce czasu" zmierzać dokładnie w tym samym kierunku, w którym idzie strzałka termodynamiczna i wzrasta entropia układu. Wielu ludzi nauki sądzi jednak, że jest tak, bowiem w ludzkim mózgu zachodzą przemiany energii podobne do tego, co obserwujemy w naturze. Mózg ma energię, aby działać, obserwować i wnioskować, bowiem ludzki "silnik" spala paliwo-pokarm i podobnie jak w silniku spalinowym proces ten jest nieodwracalny.

Można jednak wskazać przypadki, w których, przy zachowaniu tego samego kierunku psychologicznej strzałki czasu, w różnych układach entropia zarówno rośnie, jak i spada - np. przy zapisie danych w pamięci komputera. Moduły pamięci w maszynie przechodzą od stanu nieuporządkowanego ku ładowi zapisu na dysku. Entropia w komputerze więc spada. Jednak każdy fizyk powie, że z punktu widzenia całości Wszechświata - rośnie, bowiem do zapisu na dysku potrzeba energii, a ta jest rozpraszana jako ciepło wytwarzane przez maszynę. Pojawia się tu pewien mały "psychologiczny" opór wobec ustalonych praw fizyki. Trudno nam bowiem uznać, że to, co wylatuje z szumem z wentylatora ma większe znaczenie niż zapis dzieła lub innego rodzaju wartości w pamięci.

Już w 1967 r. pojawiło się równanie Wheelera-DeWitta, z którego wynikało, że czasu jako takiego nie ma. Była to próba matematycznego połączenia idei mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, krok w stronę teorii grawitacji kwantowej, czyli upragnionej przez wszystkich naukowców Teorii Wszystkiego. Dopiero w 1983 r. fizycy Don Page i William Wooters zaproponowali wyjaśnienie, wedle którego problem czasu da się obejść, stosując pojęcie splątania kwantowego. Zaproponowali oni koncepcję, zgodnie z którą można dokonać pomiaru właściwości tylko już zdeterminowanego układu. Z matematycznego punktu widzenia ich propozycja oznaczała, że zegar w oderwaniu od układu nie działa i rusza dopiero po splątaniu z konkretnym wszechświatem.

To tylko iluzja?

Czy możliwa jest symetryczna w czasie interpretacja teorii kwantowej bez możliwości oddziaływania teraźniejszości na przeszłość (retrocausality)? – pytają w rozprawie opublikowanej w "Proceedings of the Royal Society" Matthew S. Leifer oraz Matthew F. Pusey. Jeśli taka teoria ma zachowywać symetrię, a na niej fizykom zależy, wówczas, niestety, powyższa możliwość musi istnieć.

Problemu z działaniem czasu wstecz nie mają zwolennicy teorii wieloświata, co widać już w koncepcji Page’a i Wootersa. Problem symetrii jest w niej dobrze rozwiązany i nie potrzeba odwrócenia biegu strzałki czasu, aby wyjaśniać zjawiska. Po prostu różne wyniki eksperymentów są odpowiednikami różnych światów, w których cząstka może się zachowywać tak lub inaczej.

Model eksperymentu w chloroformie

Brytyjski fizyk Julian Barbour napisał kilka książek o tym, że czas to jedynie iluzja. Najbardziej znaną jest "The End of Time: The Next Revolution in Our Understanding of the Universe", z 1999 r. Wszechświat, jeśli składa się z konfiguracji materii, które nie utrzymują się, sprawia wrażenie, jakoby czas płynął, twierdzi Barbour. Strumień świadomości i odczuwanie teraźniejszości, trwające około sekundy – to wszystko zachodzi w ludzkich głowach. W naszych mózgach znajduje się informacja o niedawnej przeszłości, ale nie w wyniku łańcucha przyczynowego prowadzącego z powrotem do wcześniejszych konfiguracji. Jest to raczej cecha myślenia, być może konieczna, aby w ogóle można było myśleć.

Barbour zauważa, że Einstein w jednym z ostatnich listów pisze: "Ludzie tacy jak my, którzy wierzą w fizykę, wiedzą, że rozróżnienie między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością jest jedynie uporczywą iluzją". Poglądy Barboura uznawane są za "naukę na krawędzi", ale przez wielu poważnych fizyków (włączając znane postaci, takie jak Lee Smolin i Luboš Motl) postrzega się je raczej jako "interesujące" niż "szalone". Pojęcie bezczasowości ma w sobie swoistą elegancję, więc przemawia do fizyków.

Według teoretyków kontynuujących myśl Barboura czas jest pojęciem wymyślonym przez człowieka, żebyśmy potrafili rozróżnić to, co jest "teraz", od tego, co postrzegamy jako "przeszłość". Pojęcie czasu pozostaje tylko iluzją naszych umysłów, ponieważ tak naprawdę wszystko, co było i będzie, dzieje się w danym momencie. Dwa lata temu wystąpiła z takimi twierdzeniami grupa fizyków z Massachusetts Institute of Technology.

Naukowcy ci twierdzą, że Wszechświat zbudowany jest z "klocków", w których czas i przestrzeń są połączone, tworząc tzw. czasoprzestrzeń. Teoria ta, zgodna z teorią względności Einsteina, zakłada, że przestrzeń i czas są częścią czterowymiarowego Wszechświata, w którym wszystko, co się dzieje, ma swoje unikatowe współrzędne w czasoprzestrzeni.

-Iluzją jest, że każde zdarzenie, które dzieje się teraz, staje się przeszłością, a każde wydarzenie z przyszłości jeszcze nie istnieje - podsumował badania swoich kolegów Max Tegmark z MIT. - Jestem jednak pewien, że mój mózg pracuje tu i teraz. Wydaje nam się, że chwile, które przeżyliśmy, już minęły, ponieważ nasze mózgi je zapamiętują.

W rozumieniu fizyki kwantowej zawsze da się udowodnić, że czas "istnieje", bowiem funkcjonuje on w samych założeniach eksperymentu, niczym toksyczność substancji, umieszczonej w pudle z kotem Schrödingera. Czas jest psychologicznie częścią scenerii, którą budujemy dla naszego poznania. W rzeczywiście sam jego upływ od przeszłości do przyszłości podlega takiej samej weryfikacji, jak wszystko inne.

I to jest jego koniec. W tym sensie, że czas kończy się jako oczywistość, której nie trzeba udowadniać. Czy skończy się również jako wymiar czasoprzestrzeni i realny instrument mierniczy Wszechświata - to jest do rozstrzygnięcia. Na razie w pojedynku fizyki teoretycznej z potoczną intuicją znaczną przewagę ma ta ostatnia. Ale może nie wie, że nie ma racji i już przegrała?

Strzałka czasu - oznacza kierunek upływu czasu. Pojęcie wprowadził i spopularyzował brytyjski astrofizyk Arthur Eddington w 1927 r., autor książki "The Nature of the Physical World", opublikowanej rok później. Czas upływa zawsze w kierunku od przeszłości do przyszłości, a nigdy odwrotnie, czyli jest jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny. Można go podzielić na przeszły, teraźniejszy i przyszły. Synonimy strzałki czasu to: kierunek czasu, asymetryczność czasowa, anizotropia czasu, nieodwracalność czasu i jednokierunkowość czasu.