Czy czas naprawdę płynie tylko w jedną stronę? Naukowcy mają nowe dowody na to, że może być inaczej
Od zawsze wydawało nam się oczywiste, że czas płynie z przeszłości ku przyszłości – sekunda po sekundzie, dzień po dniu, nieubłaganie i nieodwracalnie. Ale co, jeśli to tylko złudzenie? Co, jeśli w rzeczywistości czas mógłby równie dobrze biec wstecz?
Nowe badania oferują nową perspektywę na jedną z największych tajemnic fizyki. Zrozumienie prawdziwej natury czasu może mieć głębokie implikacje dla mechaniki kwantowej, kosmologii i nie tylko.
Dlaczego nie pamiętamy tego co zdarzy się jutro? To pytanie brzmi jak paradoks, ale zadają je na poważnie najtęższe umysły na naszej planecie. Przez stulecia naukowcy głowili się nad strzałką czasu – ideą, że czas płynie nieodwracalnie z przeszłości do przyszłości.
Nasze codzienne doświadczenie podpowiada nam, że czas jest jednokierunkowy. Rozbite jajko nie poskłada się samo, a rozlana kawa nie wskoczy z powrotem do kubka. To, co raz się wydarzyło, pozostaje w przeszłości.
Przechowujemy pamięć o przeszłości, nie tylko jako istoty żywe, ale także poprzez obiektywne dowody, takie jak obrazy i skamieliny. Natomiast nie mamy pamięci o przyszłości. Strzałka czasu opisuje wyraźną asymetrię, która sprawia, że przeszłość jest wewnętrznie różna od przyszłości.
Strzałka czasu – odwieczna zagadka
Tymczasem podstawowe prawa fizyki, zarówno w świecie klasycznym, jak i kwantowym, te same, które opisują ruch planet czy zachowanie cząsteczek – nie preferują żadnego kierunku czasu. Równania Newtona są symetryczne pod względem odwrócenia czasu, podobnie jak równanie Schrödingera.
Niezależnie od tego, czy czas porusza się do przodu, czy do tyłu, równania pozostają takie same. Matematycznie rzecz biorąc, równania działają identycznie zarówno do przodu, jak i do tyłu. W teorii ruch wsteczny w czasie jest równie możliwy, jak ruch do przodu w czasie. W rezultacie w wielu dziedzinach fizyki pojawia się zagadka dotycząca upływu czasu tylko do przodu.
Ruch planet wokół Słońca, tak samo jak oscylacje wahadła, to zjawiska, które nie odróżniają przeszłości od przyszłości. Film przedstawiający te procesy, odtworzony od tyłu, nadal stanowiłby całkowicie uzasadnione zjawisko fizyczne.
Istnieją procesy, takie jak ruch wahadła, czy ruch planet, które na nagranym filmie wyglądają równie wiarygodnie niezależnie, czy oglądamy je od tyłu, czy też puszczone do przodu. Zagadką jest to, że na najbardziej podstawowym poziomie prawa fizyki przypominają wahadło; nie uwzględniają nieodwracalnych procesów. Nasze odkrycia sugerują, że podczas gdy nasze powszechne doświadczenie mówi nam, że czas płynie tylko w jedną stronę, po prostu nie jesteśmy świadomi, że przeciwny kierunek byłby równie możliwy -
mówi dr Andrea Rocco, profesor fizyki i biologii matematycznej na University of Surrey.
Więcej o zagadkach fizyki przeczytasz na Spider's Web:
Eksperyment, który może zmienić nasze postrzeganie rzeczywistości
Opublikowane w Scientific Reports badanie sprawdza, w jaki sposób układ kwantowy – świat subatomowy – oddziałuje ze swoim otoczeniem, znanym jako „otwarty układ kwantowy”. Naukowcy badali, dlaczego postrzegamy czas jako poruszający się w jednym kierunku i czy to postrzeganie wynika z mechaniki kwantowej.
Naukowcy użyli matematycznego narzędzia znanego jako łańcuch Markowa, aby opisać uproszczony model rozgrzanych cząstek w pojemniku. Łańcuch Markowa to ciąg zdarzeń, w którym prawdopodobieństwo każdego zdarzenia zależy tylko od bieżącego stanu układu, a nie od jego przeszłości.
Stosując dynamikę Markowa, w której układ nie ma pamięci poza teraźniejszością, każdy nowy stan kwantowy w układzie zależałby tylko od jednego poprzedniego stanu, co mogłoby oznaczać podróż w jedną stronę do krainy jutra lub oscylację, która równie łatwo przenosi cząstki wstecz.
Bez względu na to, gdzie zespół badawczy szukał w równaniach, nie znalazł żadnych oznak, że symetria odwrócenia czasu jest w sprzeczności ze sposobem, w jaki przebiegała aktywność kwantowa, co oznaczałoby, że „pamięć” układu Markowa nie faworyzuje przeszłości ani przyszłości.
Układ zachowywał się tak samo, niezależnie od tego, czy czas poruszał się do przodu, czy do tyłu. Odkrycie to dostarczyło matematycznych podstaw dla idei, że strzałka czasu może nie być tak jednokierunkowa, jak ją postrzegamy.
Zaskakującą częścią tego projektu było to, że nawet po przyjęciu założenia upraszczającego, równania zachowywały się tak samo, niezależnie od tego, czy układ poruszał się w czasie do przodu, czy do tyłu. Kiedy dokładnie przeanalizowaliśmy matematykę, odkryliśmy, że takie zachowanie musiało mieć miejsce, ponieważ kluczowa część równania, „jądro pamięci”, jest symetryczne w czasie - mówi Thomas Guff, pracownik naukowy w dziedzinie termodynamiki kwantowej
.
Kwantowy taniec czasu
Bardziej zaznajomieni z fizyką czytelnicy mogą w tym momencie powiedzieć: hola, hola, a co z drugą zasadą termodynamiki!?
Druga zasada termodynamiki to jedno z fundamentalnych praw fizyki, które mówi o nieodwracalności procesów zachodzących w przyrodzie. Najprościej mówiąc, zasada ta stwierdza, że w układzie zamkniętym (czyli takim, który nie wymienia energii ani materii z otoczeniem) entropia, czyli miara nieuporządkowania, zawsze wzrasta lub pozostaje stała (w idealnym przypadku). Oznacza to, że procesy samorzutne zachodzą w kierunku zwiększania chaosu i nieporządku.
Konsekwencje drugiej zasady termodynamiki są ogromne. Wyjaśnia ona, dlaczego ciepło przepływa od ciała cieplejszego do chłodniejszego, a nie na odwrót, dlaczego rozlany płyn nigdy sam się nie zbierze z powrotem do naczynia, oraz dlaczego wszechświat zmierza do stanu maksymalnego chaosu, czyli śmierci cieplnej. Zasada ta tłumaczy też, dlaczego odczuwamy upływ czasu tylko w jednym kierunku.
Nasze ustalenia są zgodne z drugą zasadą termodynamiki i podkreślają rozróżnienie między koncepcjami nieodwracalności i symetrii odwrócenia czasu. Inny wybór strzałki czasu oznaczałby tę samą dynamikę. Dynamika Markowa zastosowana do ewolucji odwróconej w czasie prowadzi również do wzrostu entropii. W konsekwencji każdy stan równowagi termicznej dla trajektorii biegnącej do przodu jest również stanem równowagi termicznej dla każdej trajektorii odwróconej w czasie, a entropia wzrasta w obu kierunkach - tłumaczą badacze w swojej pracy.
Rewolucja w myśleniu o czasie?
Choć wyniki tych badań są głównie teoretyczne, mogą mieć ogromne konsekwencje dla fizyki, a nawet dla naszego rozumienia czasu jako takiego. Jeśli czas naprawdę nie jest tak sztywny, jak nam się wydawało, to możliwe, że w przyszłości pojawią się eksperymenty, które pozwolą nam manipulować jego kierunkiem – przynajmniej w świecie cząsteczek subatomowych.
Czy to oznacza, że podróże w czasie staną się kiedyś możliwe? Na razie nie mamy żadnych dowodów na to, że ludzka skala działania pozwalałaby na takie eksperymenty. Ale jedno jest pewne: rzeczywistość, którą znamy, może być o wiele bardziej elastyczna, niż dotąd sądziliśmy. I to właśnie czyni fizykę kwantową tak ekscytującą.
