Jak se minulost liší od budoucnosti a proč čas plyne jedním směrem • FiNE NEWS

Toto může být pro vědu nejobtížnější záhada. Vědci však navrhli mnoho lákavých hypotéz, aby ji vysvětlili.

Každodenní zkušenost nám říká, že minulost se nápadně liší od budoucnosti. Pamatujeme si minulost, ale nepamatujeme si budoucnost. Minulost nemůžeme změnit. Poté, co si rozlijeme kávu na notebook, se zoufale chceme vrátit o chvíli zpět a uchopit šálek opatrněji, ale bohužel. Můžeme však ovlivnit budoucnost. Navíc každý náš čin je pokusem o změnu budoucnosti. Když máme žízeň, vezmeme si z police sklenici, nalijeme vodu a napijeme se. V okamžiku, kdy máme žízeň, na stole není sklenice a ve sklenici není voda.
To vše je záležitostí budoucnosti, byť té nejbližší. Přítomnost nemá žádné trvání, je to pouze hranice, za níž se budoucnost stává minulostí.

Tento směr času ho ostře odlišuje od prostoru. Ve vesmíru neexistuje žádný zvláštní, vyhrazený směr. Stačí se otočit o 180 stupňů a „vpřed“ a „vzad“ si vymění místo. V prostoru se můžeme nejen pohybovat libovolným směrem, ale i stát na místě. Ale nemůžeme stát na místě v čase. Den se mění v večer, lidé stárnou, hodiny plynou.

Proč čas vůbec plyne a proč plyne jedním směrem? Jaký mechanismus uvádí řeku času do pohybu? Tyto otázky lze formulovat různě: co pohání hodiny a proč plynou pouze jedním směrem?

Hodiny v tomto případě znamenají jakékoli zařízení, které ukazuje plynutí času. Možná si nejdříve představíte mechanické hodiny. Ale ve starověku se k počítání času používaly například hořící svíčky a dnes jsou nejpřesnějšími hodinami atomové.

Obecně lze za hodiny považovat vše, co se mění s časem, i když většina z nich je nepřesná a bez ciferníku. Rostoucí dítě a obsah naší vlastní paměti jsou v tomto smyslu také hodiny. Svět bez hodin by v širším smyslu znamenal svět bez času. Koneckonců je zbytečné mluvit o něčem, co se nijak neprojevuje – alespoň pro fyzika.

Fyzici a filozofové nabídli na otázku časové šipky několik lákavých odpovědí. Každá z nich však vyvolává nové obtížné otázky.

Svět jako filmový pás
Bylo by hezké najít fyzikální zákon, který by vysvětloval, proč čas plyne jedním směrem, hodiny se vždy posouvají dopředu. Základní fyzikální zákony však nerozlišují mezi minulostí a budoucností. Jedinou výjimkou jsou exotické transformace elementárních částic, o kterých budeme diskutovat níže.

Představte si fotbalový míč letící směrem k brance. Když známe pozici a rychlost míče v daném okamžiku, můžeme vypočítat, kam by ho měl brankář hodit. Můžeme ale také vypočítat, kam útočník míč kopl. Předpovídání minulosti se neliší od předpovídání budoucnosti.

Myšlenku, že útočník „nejdříve“ kopl míč a „pak“ míč skončil v brance, vycházíme ze zkušenosti, nikoli z rovnic. Zákonům mechaniky to nevadí. Ty uspořádávají pozice míče v řetězci jednu po druhé, ale v tomto řetězci není žádná šipka. Sami si rozhodujeme, který konec řetězce je považován za minulost a který za budoucnost. Vysvětlíme si to na příkladu.

Náhodná nevratnost
Představte si, že se díváte na video. Míč je vyhozen do výšky, auto se pohybuje vpřed a muž položí knihu na polici. A pak vám řeknou: tento film byl přehrán pozpátku. Ve skutečnosti ukazuje, jak míč padá dolů, auto se pohybuje dozadu a milovník knih si bere knihu z police.

Existuje způsob, jak přistihnout osobu, která vám to říká, při lži? Ne, pokud video ukazuje pouze tyto události. Vy však vidíte, že rozlité mléko se shromažďuje zpět do hrnku a loužička vody na dně sklenice se mění v kostky ledu. Okamžitě pochopíte, že video bylo přehráno pozpátku. Koneckonců z vlastní zkušenosti víte, že takové procesy probíhají pouze jedním směrem.

Ale proč? Všechno se točí kolem pohybu molekul mléka nebo vody. Molekuly mléka se neustále srážejí mezi sebou, s molekulami vzduchu a s ubrusem. Tyto srážky určují, kam mléko poteče. Proč by ho netlačily zpět do hrnku, když zákony mechaniky neznají šipku času?

Náhodné srážky s okolními molekulami by teoreticky mohly mléko vrátit na jeho místo. Taková událost je však naprosto nepravděpodobná. Trik spočívá v tom, že molekul je mnoho a jejich poloha „v šálku“ je jen jednou z mnoha možných. Je nemyslitelné, že by se v důsledku náhodných srážek každá molekula mléka ocitla přesně v této pozici. Jasný příklad toho, jak nepravděpodobná je taková náhoda, uvádí fyzik a popularizátor vědy Brian Greene.

Představte si 1386stránkové vydání knihy Vojna a mír. Rozdělte knihu na listy a vyhoďte je do vzduchu. Jaká je pravděpodobnost, že stránky vypadnou v přesném číselném pořadí? Odpověď je ohromující: přibližně 1 : 101878 1878. Abyste tuto pravděpodobnost zapsali jako desetinný zlomek, museli byste za desetinnou čárku dopsat XNUMX nul.

Kdybychom si mohli vzít tolik výtisků románu, kolik je atomů ve viditelném vesmíru, a každou sekundu s nimi od Velkého třesku přehazovat, trvalo by více než tisíc vesmírů, než by se stránky alespoň v jednom z nich konečně rozložily ve správném pořadí!

Je to základní aritmetika. Stránky můžou vypadávat jakkoli. Existuje ale jen jeden způsob, jak je správně zařadit, a asi 101878 způsobů, jak je zamíchat. Takže je jisté, že se stránky zamíchají.

A to je necelých jeden a půl tisíce stránek, a přitom je v hrnku mléka více molekul než sklenic vody ve Světovém oceánu! A každá molekula má tolik možných pozic na rozlehlosti ubrusu… Jak dlouho musíme čekat, než se shromáždí zpět v hrnku? Je zbytečné se to i pokoušet vypočítat. Ačkoli je tato událost teoreticky možná, nikdy se nestane.

Aby popsal tuto nevratnost, zavedl velký fyzik 19. století Ludwig Boltzmann speciální fyzikální veličinu: entropii. Entropie se zvyšuje, když se mléko vylije z hrnku. Zvyšuje se také, když se krásně uspořádané kostky ledu promění v amorfní loužičku, a když otevřeme láhev limonády, do místnosti se vlije oxid uhličitý, který se smíchá se vzduchem.

Všechny tyto procesy mají něco společného. Nejprve se molekuly látky koncentrovaly v malém objemu: mléko v hrnku, oxid uhličitý v lahvi, voda v kostkách ledu. Pak se „uvolnily“ a naplnily mnohem větší objem. Ve velkém objemu je více míst, kde se molekula může při svém náhodném pohybu ocitnout.

Ve všech těchto případech se tedy systém přesouvá z méně pravděpodobného stavu do pravděpodobnějšího. Stránky knihy, zpočátku v nepravděpodobném stavu „uspořádané podle čísel“, se po přehození přesunou do mnohem pravděpodobnějšího stavu „promíchané“.

Existuje fyzikální zákon: entropie systému ponechaného sám sobě se s časem zvyšuje (nebo zůstává nezměněna, pokud již dosáhla svého maxima). Entropii lze snížit pouze vnějším vlivem. Například nalitím vody do formiček na led a jejich vložením do mrazáku nebo ručním tříděním stránek podle čísel.

Zákon růstu entropie funguje v uzavřených systémech ponechaných samým sobě. K omezení nebo zvrácení růstu entropie je nutná výměna hmoty nebo energie s vnějším prostředím. Lidské tělo si udržuje svou složitou a uspořádanou strukturu konzumací kilogramů potravy a vody a mnoha tisíc litrů vzduchu denně.

Věta pro celý svět?

Vesmír je uzavřený systém. Nic si nepřijímá ani nedává, protože neexistuje žádný „vnější svět“. Na základě toho Boltzmann věřil, že entropie vesmíru neustále roste. Entropii v jeho jednotlivých částech můžeme snížit například zmrazením vody v miskách na led, ale pouze na úkor zvýšení entropie jinde.

Ludwig Boltzmann (1844–1906), rakouský fyzik. Vysvětlil nárůst entropie a pokusil se zkrátit tok času k němu.

Nakonec se veškerá hmota a energie rovnoměrně promíchají. Hvězdy a planety se zhroutí a promění se v zředěný plyn rozptýlený po celém vesmíru. Svět se ponoří do stavu „tepelné smrti“.

Podle jedné verze právě tato pesimistická předpověď dohnala Boltzmanna k sebevraždě. Zdá se, že jsme konečně našli fyzikální proces, který odlišuje minulost od budoucnosti. Entropie vesmíru bude vždy větší, než byla, a ne naopak. Boltzmann věřil, že tok času je pouze vnějším projevem růstu entropie vesmíru.

Moderní vědci jsou k této myšlence z mnoha důvodů skeptičtí. Zaprvé, mnoho fyziků popírá, že by zákon rostoucí entropie platil pro vesmír jako celek. Pokud se ponoříme do jemných matematických detailů (to dělat nebudeme), ukáže se, že k růstu entropie nestačí, aby byl systém uzavřený; jsou zapotřebí další podmínky. Tyto podmínky dobře popisují tání ledu nebo rozptyl plynu. Nepopisují však vesmír jako celek. A pokud entropie vesmíru nutně neroste, není důvod na ni redukovat běh času.

Je tu ještě jedna obtíž. O plynutí času víme díky hodinám (nezapomeňte, že hodinami myslíme jakýkoli objekt, který se s časem mění). Ale jak zvýšení entropie způsobuje, že hodiny běží?

Vezměme si nejjednodušší hodiny – kyvadlo. Kyvadlo o délce 25 cm vykoná plný oběh za jednu sekundu. Pohyb kyvadla však není způsoben zvýšením entropie, ale jednoduše tím, že bylo jednou vyvedeno z rovnováhy. Samozřejmě existují procesy, které entropii kyvadla zvyšují – tření v závěsu, odpor vzduchu. Jedním slovem, důvody, proč kmitání postupně slábne. Ale právě ony brání kyvadlu být dobrými hodinami! Bez tření a odporu by mohlo počítat sekundy donekonečna. Jinými slovy, zvýšení entropie odpovídá na otázku, proč se jakékoli hodiny dříve či později zastaví, ale ne na otázku, proč běží.

Ve světě částic
Zvýšení entropie a rozpínání vesmíru jsou rozsáhlé, ale specifické jevy. Jsou odvozeny ze základních fyzikálních zákonů. První vychází z klasické mechaniky, která řídí pohyb molekul i fotbalových míčů. Druhý vychází z obecné teorie relativity, která je ještě úplnější a hlubší než klasická mechanika. Obě teorie jsou lhostejné ke směru času.

A přesto existují základní zákony, které odlišují minulost od budoucnosti. Mluvíme o zákonech, které řídí elementární částice. Ale ne všechny částice, jen některé, velmi exotické.

Většina elementárních částic žije před rozpadem jen zlomek sekundy. Některé z těchto rozpadů jsou citlivé na směr času. Jednoduše řečeno, film takového rozpadajícího se částice dokáže rozpoznat, zda se pohybuje dopředu nebo dozadu.

Citlivost na směr času byla experimentálně stanovena u tří typů částic: mezonů K, B a D. Problém je v tom, že všechny tyto mezony jsou velmi exotické částice. Objevují se na zlomky sekundy v procesech speciálně iniciovaných fyziky. Náš každodenní život nezávisí na mezonech K, B ani D. Nejsou v hodinkách, našich mozcích ani v rozlitém mléce.

Mohou protony, elektrony a neutrony, které tvoří atomy, také rozlišovat mezi minulostí a budoucností? Zatím neexistují žádné důkazy, které by to naznačovaly, ať už teoretické nebo experimentální. Pokud ano, bude to nepochybně velký objev.

Příčiny a následky
Nárůst entropie, rozpínání vesmíru, anomálie v rozpadu mezonů – to vše jsou vnější projevy plynutí času. Pokusy o uchopení podstaty času skrze ně připomínají pokusy alchymistů najít podstatu vody. Voda, psali, je průhledná kapalina, která rozpouští mnoho látek. V důsledku toho byla kyselina sírová pro alchymisty druhem vody, ale led a pára nikoli.

Voda je látka, jejíž molekula se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. Zde je správná definice. Je dána obecnějšími pojmy než „voda“: pojmy atomů, molekul a chemických prvků.

Které pojmy jsou obecnější a fundamentálnější než „čas“? Existuje alespoň jeden možný kandidát na tuto roli – pojem příčiny. Leibniz řekl, že čas plyne od příčiny k následku, že minulost je příčinou budoucnosti. Problém je v tom, že pojmy příčiny a následku jsou velmi abstraktní. Jak vyjádřit kauzalitu jazykem vzorců? Jak ji propojit s veličinami, které lze měřit v experimentu? Koneckonců, každá fyzikální teorie musí být ověřena experimentem.

Nikdo dosud nezkonstruoval „kauzální“ teorii času. Navíc někteří filozofové tvrdí, že je to nemožné. Samotné pojmy příčiny a následku, jak tito myslitelé říkají, se v našich hlavách rodí z představ o minulosti a budoucnosti.

Není známo, kdo má v tomto sporu pravdu. Možná ještě nemáme vhodné pojmy k vyřešení hádanky času, stejně jako alchymisté neměli pojem chemických vzorců. Sledujíc stopu šípu času, lidstvo narazilo na ošklivou žábu své bezmoci před záhadou. Kdo je ten princ, jehož polibek ji promění v krásnou princeznu – řešení? Kdo udělá to, co se nepodařilo Leibnizovi, Boltzmannovi, Einsteinovi a Eddingtonovi? S trochou štěstí se to dozvíme v tomto století.