Prečo čas beží len vpred?

(preklad článku BBC - Why does time always run forwards and never backwards?)

Prečo dokážete rozbiť vajce, ale poskladať ho späť už nejde? Aby sme zistili odpoveď, musíme sa vrátiť k zrodeniu vesmíru.

Predstavte si, že máte na tvári vajce. Doslova. Snažili ste sa trochu žonglovať, no nevyšlo to a teraz si musíte dať sprchu a prezliecť sa.

Nebolo by rýchlejšie jednoducho „od-rozbiť“ vajce? Rozbiť ho trvalo iba pár sekúnd, prečo to teda neurobiť znovu, no v opačnom poradí? Jednoducho pozbierajte škrupinu a vhoďte dnu žĺtok a bielok. Mali by ste čistú tvár, čisté oblečenie, žiadny žĺtok vo vlasoch, akoby sa vôbec nič nestalo.

Znie to smiešne – no prečo? Preto je nemožné „od-rozbiť“ vajce?

V skutočnosti nie je. Nejestvuje žiadny prírodný zákon, ktorý by nám bránil „od-rozbiť“ vajce. Fyzika vlastne tvrdí, že ktorákoľvek z bežných udalostí každodenného života by sa mohla odohrávať i v opačnom poradí. Prečo teda nemôžeme „od-rozbiť“ vajce, „od-zapáliť“ zápalku či dokonca „od-vyvrtnúť“ členok? Prečo sa veci nedejú v opačnom poradí neustále? Prečo je vôbec budúcnosť odlišná od minulosti?

Znie to ako jednoduchá otázka. No aby sme ju zodpovedali, musíme sa pozrieť na zrod vesmíru, až do ríše atómov a na hranice fyziky.

Isaac Newton

Tak ako mnohé iné príbehy o fyzike, aj tento sa začína Isaacom Newtonom. V r. 1666 ho vypuknutie čierneho moru prinútilo opustiť Cambridgeskú univerzitu a presťahovať sa naspäť za matkou na vidiek do Lincolnshire. Znudený a izolovaný sa Newton ponoril do štúdia fyziky.

Prišiel s tromi pohybovými zákonmi, vrátane známej zásady, že po každej akcii nasleduje rovnaká a opačná reakcia. Objavil aj vysvetlenie fungovania gravitácie.

Newtonove zákony sú pri popisovaní sveta až udivujúco úspešné. Objasňujú, prečo jablká padajú zo stromov a prečo Zem obieha Slnko. Majú však aj zvláštnu črtu: fungujú dopredu, no i dozadu. Ak sa môže rozbiť vajce, Newtonove zákony tvrdia, že sa môže aj „od-rozbiť“.

Samozrejme, nie je to pravda, no každá teória, s ktorou fyzici od Newtonových čias prišli, má rovnaký problém. Fyzikálnym zákonom jednoducho nezáleží na tom, či čas beží vpred, alebo vzad, rovnako ako im nezáleží na tom, či ste pravák alebo ľavák.

Pre nás to však je dôležité. Podľa našej skúsenosti má čas „šípku“, ktorá smeruje vždy do budúcnosti. „Mohli by ste zmiešať východ a západ, ale včerajšok a zajtrajšok nezmiešate,“ vraví Sean Carroll, fyzik z pasadenského California Institute of Technology. „Základné fyzikálne zákony však nerozlišujú medzi minulosťou a budúcnosťou.“

Ludwig Boltzmann

Prvým človekom, ktorý sa seriózne chopil tohto problému, bol rakúsky fyzik menom Ludwig Boltzmann, ktorý žil na konci 19. storočia. V jeho časoch boli mnohé teórie, ktoré dnes považujeme za pravdivé, ešte stále obklopené pochybnosťami. Konkrétne, fyzici neboli presvedčení – čo dnes sú –, že všetko tvoria drobné častice zvané atómy. Ideu atómov podľa fyzikov jednoducho nebolo možné otestovať.

Boltzmann bol presvedčený, že atómy existujú. Rozhodol sa teda pomocou tejto idey vysvetliť každodenné javy ako žiara ohňa, ako fungujú naše pľúca či prečo fúkanie ochladzuje čaj. Nazdával sa, že všetky tieto javy pochopí pomocou konceptu atómov.

Boltzmannova práca ale urobila dojem iba na pár fyzikov – väčšina ju odmietala. Netrvalo dlho a komunita fyzikov ho kvôli jeho nápadom začala ignorovať.

Nepríjemnosti mal najmä kvôli tomu, ako vysvetľoval povahu tepla. Možno sa nezdá, že by to mohlo súvisieť s vlastnosťami času, ale Boltzmann neskôr preukázal, že tieto dve veličiny sú úzko previazané.

Oheň dáva zmysel jedine vtedy, ak ho tvoria atómy

V tej dobe fyzici prišli s teóriou termodynamiky, ktorá opisuje chovanie tepla. Napríklad, termodynamika opisuje, ako dokáže chladnička udržať jedlo chladné i počas horúceho dňa.

Boltzmannovi oponenti si mysleli, že teplo nemožno vysvetliť v zmysle niečoho iného. Tvrdili, že teplo je jednoducho teplo.

Boltzmann sa rozhodol dokázať, že sa mýlia. Teplo považoval za výsledok náhodného pohybu atómov a tvrdil, že v zmysle atómov možno vysvetliť celú termodynamiku. Mal úplnú pravdu, no zvyšok života strávil nie veľmi úspešnou snahou presvedčiť o tom aj ostatných.

Ak vhodíte do vody kocky ľadu, určite sa roztopia

Boltzmann začal tým, že sa snažil vysvetliť niečo zvláštne: „entropiu“ (SSSJ: termodynamická stavová veličina, ktorá je mierou neusporiadanosti systému). Podľa termodynamiky sa ku každému telesu na svete viaže určité množstvo entropie a nech sa s telesom stane čokoľvek, výška entropie narastá. Napríklad, ak do pohára vody vhodíte kocky ľadu a necháte ich rozpustiť sa, entropia vnútri pohára narastie.

Narastajúca entropia je odlišná od všetkého ostatného: je to proces, ktorý ide iba jedným smerom. Nik však nevedel, prečo entropia vždy narastá.

Boltzmannovi kolegovia tvrdili, že nie je možné vysvetliť, prečo entropia vždy stúpa. Skrátka to tak je. Boltzmannovi to však nestačilo, tak pokračoval v hľadaní hlbšieho zmyslu. Výsledkom bolo radikálne nové pochopenie entropie – objav taký dôležitý, že si ho nechal vyryť na svoj náhrobný kameň.

Náhrobný kameň Ludwiga Boltzmanna aj s rovnicou entropie

Boltzmann zistil, že entropia je mierou počtu spôsobov, akými možno zoradiť atómy a energiu, ktorú nesú. Keď narastá entropia, je to kvôli tomu, že atómy sa väčšmi „miešajú“.

Podľa Boltzmanna práve toto vysvetľuje, prečo sa ľad vo vode topí. Keď je voda tekutá, jestvuje omnoho viac spôsobov, akými by sa molekuly vody mohli zoradiť, a omnoho viac spôsobov, ako by medzi sebou mohli zdieľať teplo, než keď má voda tuhé skupenstvo. Jednoducho, pre ľad existuje priveľa spôsobov, ako by sa mohol roztopiť, a relatívne málo možností, ako by mohol ostať tuhý – preto je nanajvýš pravdepodobné, že sa roztopí.

Vajce nemôžete „od-rozbiť“

Podobne, keď nalejete kvapku smotany do kávy, smotana sa rozšíri do celej šálky, pretože tak vyzerá stav vyššej entropie. Jestvuje viac spôsobov, ako zoradiť kúsočky smotany v káve, než spôsobov, ako by smotana mala ostať v celku.

Podľa Boltzmanna je entropia o tom, čo je pravdepodobné. Telesá s nízkou entropiou sú usporiadané, preto je nepravdepodobné, že by jestvovali. Telesá s vysokou entropiou sú neusporiadané, čo z nich činí pravdepodobných adeptov na existenciu. Entropia vždy stúpa, pretože je jednoduchšie, aby boli veci neusporiadané.

Možno to znie trochu depresívne, aspoň v prípade, že máte svoj domov radi uprataný. No Boltzmannove tvrdenia o entropii majú aj pozitívnu stránku: zdá sa, že vysvetľujú „šípku“ času.

Je čas „vstavaný“ do vesmíru?

Boltzmannov prístup k entropii vysvetľuje, prečo vždy stúpa. A to objasňuje, prečo stále zažívame, že čas sa hýbe iba vpred. Ak entropia vesmíru ako celku narastá, nikdy neuzrieme, ako sa čosi deje v opačnom poradí.

Neuvidíme, ako sa vajcia „od-rozbíjajú“, pretože jestvuje priveľa spôsobov, ako zoradiť kúsky vajca – a takmer všetky vedú k rozbitému vajcu, nie k celému. Podobne, ani ľad sa nemôže „od-roztopiť“, zápalky sa nemôžu „od-zapáliť“ a členky sa nemôžu „od-vytknúť“.

Boltzmannova definícia entropie vysvetľuje dokonca i to, prečo si pamätáme minulosť a nie budúcnosť. Predstavte si opak: že by ste mali v pamäti udalosť, udalosť sa stane a potom sa stratí. Šanca, že by sa vášmu mozgu stalo niečo také, je veľmi nízka.

Podľa Boltzmanna budúcnosť vyzerá odlišne od minulosti jednoducho preto, že entropia stúpa. Jeho otravní oponenti ale našli v jeho zdôvodnení trhlinku.

Keď sa toto raz stane, nemôže sa to „od-stať“

Boltzmann tvrdil, že entropia do budúcnosti stúpa kvôli pravdepodobnostiam, ktoré riadia správanie malých objektov, ako sú atómy. Lenže samotné tieto malé objekty poslúchajú základné zákony fyziky, ktoré nerozlišujú medzi minulosťou a budúcnosťou.

Boltzmannov argument sa dá prevrátiť naruby. Ak môžeme tvrdiť, že entropia do budúcnosti stúpa, môžeme tvrdiť i to, že entropia do minulosti klesá.

Boltzmann si myslel, že (keďže rozbité vajcia sú pravdepodobnejšie než celé) je rozumné očakávať, že celé vajcia sa zmenia na rozbité. Tu je ešte iná interpretácia. Celé vajcia sú nepravdepodobné a vzácne, preto vajcia musia väčšiu časť svojej existencie „stráviť“ rozbité, pričom veľmi zriedkavo „skočia“ dohromady do celých vajec, potom sa opäť rozbijú.

V skratke, Boltzmannove tvrdenia o entropii možno použiť na spochybnenie, prečo by budúcnosť a minulosť mali vyzerať podobne. To však nevidíme, sme teda späť na začiatku. Prečo vôbec jestvuje tá „šípka“ času?

Neuprataný vesmír

Boltzmann navrhol niekoľko riešení tohto problému. Ten, ktorý fungoval najlepšie, je známy ako „hypotéza minulosti“. Je veľmi jednoduchá: v niektorom bode vo veľmi vzdialenej minulosti mal vesmír nízku entropiu.

Ak je to pravda, trhlinka z Boltzmannovho vysvetlenia zmizne. Budúcnosť a minulosť sa výrazne líšia, pretože minulosť má omnoho nižšiu entropiu než budúcnosť. Vajcia sa teda rozbíjajú, ale nemožno ich „od-rozbiť“.

Je to celkom pekné vysvetlenie, no vyvstáva z neho ďalšia otázka: prečo je hypotéza minulosti pravdivá? Nízka entropia je nepravdepodobná, prečo teda v určitom bode v ďalekej minulosti mal vesmír takýto pozoruhodný stav?

Tento problém Boltzmann nikdy nevyriešil. Ako človek trpiaci mániodepresiou, ktorého nápady odmietla veľká časť komunity fyzikov, bol presvedčený, že jeho životné dielo ostane zabudnuté. Na rodinnej dovolenke neďaleko Terstu sa v r. 1906 Ludwig Boltzmann obesil.

Jeho samovražda bola obzvlášť tragická, keďže o desaťročie fyzici jeho tvrdenia o atómoch prijali. A navyše, počas ďalších desaťročí nové objavy nasvedčovali, že predsa len jestvuje objasnenie hypotézy minulosti.

Dnes vieme, že vesmír má zhruba 14 miliárd rokov

V 20. storočí sa naše predstavy o vesmíre radikálne zmenili. Zistili sme, že mal začiatok.

V časoch Boltzmanna väčšina fyzikov verila, že vesmír je večný – že existoval vždy. Ale v 20. rokoch 20. storočia astronómovia zistili, že galaxie sa od seba vzďaľujú. To znamená, že kedysi boli k sebe bližšie.

Počas niekoľkých ďalších desaťročí sa fyzici zhodli, že vesmír sa začal ako neuveriteľne horúci, hustý „fliačik“. Ten sa začal rýchlo rozpínať a ochladzovať, pričom vzniklo všetko, čo existuje dnes. Táto rýchla expanzia z maličkého horúceho vesmíru sa nazýva Veľký tresk.

Zdalo sa, že tieto objavy potvrdzujú hypotézu minulosti. „Ľudia si vraveli: Jasné, trik je v tom, že raný vesmír mal určite nízku entropiu,“ hovorí Carroll. „Ale prečo bola vôbec entropia nízka pred štrnástimi miliardami rokov, tesne po Veľkom trestu, dodnes netušíme.“

Obrovské mračná plynu sa zhusťujú do hviezd a planét

Treba podotknúť, že obrovská kozmická explózia neznie ako niečo, čo by mohlo mať nízku entropiu. Veď výbuchy sú neusporiadané. Jestvuje množstvo spôsobov, ako zoradiť hmotu a energiu v ranom vesmíre, ktorý je stále horúci, drobný a rozpína sa. Ale vysvitlo, že entropia je odlišná, keď ju obklopuje toľko hmoty.

Predstavte si rozsiahly prázdny priestor, v ktorého strede sa nachádza mračno plynu s hmotnosťou Slnka. Gravitácia priťahuje plyn dohromady, takže sa stáva akýmsi zhlukom a „zrúti sa“ do novej hviezdy. Ako je niečo také možné, pokiaľ entropia vždy stúpa? Existuje viac spôsobov, ako usporiadať plyn, keď je neforemný a rozptýlený.

Odpoveď je v tom, že gravitácia vplýva na entropiu spôsobom, ktorému fyzici dosiaľ celkom nerozumejú. Ak sú neforemné skutočne masívne objekty, majú vyššiu entropiu, než keď sú neforemné objekty husté a jednotvárne. Takže vesmír plný galaxií, hviezd a planét má v skutočnosti vyššiu entropiu ako vesmír plný horúceho, hustého plynu.

To znamená, že vzniká nový problém. Ten druh vesmíru, ktorý sa objavil okamžite po Veľkom tresku, ten horúci a hustý, má nízku entropiu a preto je jeho existencia nepravdepodobná. „Nie je to niečo, čo by ste náhodne očakávali v taške plnej vesmírov,“ vraví Carroll.

Ako je teda možné, že vesmír začal svoju existenciu práve takýmto nepravdepodobným stavom? Nie je isté ani len to, aký typ odpovede na túto otázku by bol uspokojivý. „Čo by sa dalo považovať za vedecké vysvetlenie počiatočného stavu vesmíru?“ pýta sa Tim Maudlin, filozof fyziky z New York University.

Náš vesmír je možno len jeden z mnohých

Jeden nápad je, že bolo ešte niečo pred Veľkým treskom. Mohlo by to vysvetliť nízku entropiu raného vesmíru?

Carroll a jeden z jeho bývalých študentov navrhli model, v ktorom neustále vznikajú maličké „vesmíriky“ a odtŕhajú sa od svojho rodičovského vesmíru, aby sa rozpínali a stali sa samostatným vesmírom, ako je ten náš. Tieto „vesmíriky“ by sa mohli začínať nízkou entropiou, ale entropia „multiverza“ ako celku by bola vždy vysoká.

Pokiaľ je to tak, iba sa nám zdá, že raný vesmír mal nízku entropiu – pretože nevidíme „celý obrázok“. To isté by platilo i pre „šípku“ času. „Tento nápad znamená, že vzdialená minulosť nášho vesmíru vyzerá z hľadiska „celého obrázku“ rovnako ako vzdialená budúcnosť,“ tvrdí Carroll.

Ohľadom Carrollovho vysvetlenia hypotézy minulosti či akéhokoľvek iného vysvetlenia však nejestvuje žiadna rozsiahla zhoda. „Sú to len návrhy, nič však zatiaľ nie je sľubné, nieto ešte dokázané,“ hovorí Carroll.

Jednou časťou problému je, že naše najlepšie fyzikálne teórie sa nedokážu „vyrovnať“ s Veľkým treskom. Bez toho, že by sme dokázali opísať, čo sa udialo pri zrode vesmíru, nedokážeme vysvetliť ani to, prečo mal nízku entropiu.

Fyzici stále nedokážu vysvetliť všetko

Moderná fyzika sa opiera o dve veľké teórie. Kvantová mechanika objasňuje správanie malých objektov, ako sú atómy, zatiaľ čo všeobecná relativita opisuje ťažké objekty, ako sú hviezdy. Lenže tieto dve teórie nemožno skombinovať.

Čiže ak je niečo zároveň veľmi malé a veľmi ťažké, ako bol vesmír v okamihu Veľkého tresku, fyzici sa tak trochu zaseknú. Aby popísali raný vesmír, museli by skombinovať tieto dve teórie a vytvoriť „teóriu všetkého“.

Takáto teória by bola kľúčom k pochopeniu „šípky“ času. „Objavenie tej teórie by nás viedlo k poznaniu toho, ako príroda tvorí priestor a ako tvorí čas,“ vraví Marina Cortês, fyzička z University of Edinburgh v Spojenom kráľovstve.

Nanešťastie, napriek desaťročiam snáh sa nikomu nepodarilo prísť s „teóriou všetkého“. Máme však pár kandidátov.

Možno všetku hmotu tvoria tenučké struny

Najsľubnejšou „teóriou všetkého“ je teória strún, ktorá tvrdí, že všetky subatomárne častice sú v skutočnosti tvorené tenučkými strunami. Teória strún taktiež tvrdí, že sú skrútené do mikroskopických veľkostí a že žijeme v takom type multiverza, kde sa fyzikálne zákony líšia od jedného vesmíru k druhému.

Všetko to znie dosť divne. Napriek tomu väčšina časticových fyzikov považuje teóriu strún za najlepšiu nádej na ceste k „teórii všetkého“.

To nám však nepomáha pochopiť, prečo čas beží len dopredu. Ako takmer pri každej teórii fundamentálnej fyziky, ani pri teórii strún nerobia rovnice jasný rozdiel medzi minulosťou a budúcnosťou.

Ak sa teória strún potvrdí, možno ani nepomôže objasniť „šípku“ času. Cortêsová sa teda snaží prísť s čímsi lepším.

Čas beží len vpred, ale nik nevie prečo

Počas práce s Lee Smolinom z Perimeter Institute v kanadskom Waterloo sa Cortêsová zaoberala alternatívami teórie strún, ktoré by zahŕňali „šípku“ času.

Cortêsová a Smolin navrhujú, že vesmír tvoria série celkom jedinečných udalostí, ktoré sa nikdy neopakujú. Každá množina udalostí môže ovplyvniť iba udalosti v nasledujúcej množine, takže „šípka“ času je do daného vesmíru vbudovaná. „Dúfame, že ak tieto typy rovníc dokážeme použiť v kozmológii, dôjdeme až k problému počiatočných podmienok vesmíru a zistíme, že neboli až také výnimočné,“ tvrdí Cortêsová.

Toto tvrdenie sa výrazne líši od Boltzmannovho vysvetlenia, v ktorom sa „šípka“ času objavuje ako náhoda zákona pravdepodobnosti. „Čas nie je ilúzia,“ hovorí Cortêsová. „Existuje a naozaj beží vpred.“

Väčšina fyzikov však v Boltzmannovom vysvetlení nevidí problém. „Boltzmann nám ukázal správny smer k riešeniu, ešte dávno,“ vraví David Albert, filozof fyziky z Columbia University v New Yorku. „Existuje skutočná nádej, že ak budeme kopať dostatočne hlboko, v tom, čo Boltzmann tvrdil, objavíme celý príbeh.“

Carroll súhlasí. „Ak vysvetlíme ten Veľký tresk s nízkou entropiou, máme to,“ tvrdí. „Vysvetlíme všetky rozličnosti medzi minulosťou a budúcnosťou.“

Vo Veľkom hadrónovom urýchľovači

Tak či onak, aby sme vysvetlili „šípku“ času, musíme vysvetliť stav nízkej entropie na počiatku vesmíru. Na to treba „teóriu všetkého“, či už je to teória strún, Cortêsovej a Smolinove množiny udalostí alebo niečo úplne iné. Ľudia však hľadajú „teóriu všetkého“ už deväťdesiat rokov. Ako ju nájdeme? A ako budeme vedieť, že je to tá správna?

Mohli by sme ju otestovať – použitím niečoho veľmi malého a veľmi hustého. Do okamihu Veľkého tresku sa nemôžeme vrátiť, a bez ohľadu na nedávny ohromne úspešný film (Interstellar ♥) sa nemôžeme ponoriť do čiernej diery a poslať informácie späť. Čo teda môžeme spraviť, aby sme dokázali vysvetliť, prečo sa vajcia nemôžu „od-rozbiť“?

Zatiaľ je našou najväčšou nádejou najväčší stroj v ľudskej histórii. Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je urýchľovač častíc, ktorý má tvar 27 kilometrov dlhého kruhu a nachádza sa pod hranicou Francúzska a Švajčiarska. Protóny sa v ňom zrážajú takmer rýchlosťou svetla. Neskutočná energia, ktorú tieto zrážky tvoria, dáva vznik novým časticiam.

Posledné dva roky bol LHC zatvorený kvôli opravám, no na jar 2015 sa opäť otvoril – a po prvý raz pôjde na plný výkon. V r. 2012 sa pri jeho polovičnej sile podarilo objaviť dlho predpovedaný Higgsov bozón, časticu, ktorá všetkým ostatným dodáva hmotnosť. Tento objav viedol k Nobelovej cene, ale teraz by ho LHC mohol tromfnúť. S troškou šťastia by sa mohlo podariť zahliadnuť nové a nečakané fundamentálne častice, ktoré nám ukážu cestu k „teórii všetkého“.

Potrvá niekoľko rokov, kým LHC zozbiera potrebné množstvo dát a kým sa tie dáta spracujú a vyložia. Akonáhle sa to však uskutoční, možno konečne porozumieme, prečo to vajce naozaj nejde „od-rozbiť“.