Гравитацията обяснява защо времето върви само напред

Не можем да спрем времето. Дори в движение, когато времето, изглежда, замира и спира.

Икономисването на светлина през деня също не помага, времето неизбежно се стреми напред. Защо не назад?

Защо помним миналото, а не бъдещето? Физиците смятат, че отговорът на този дълбок и сложен въпрос може да се крие в добре познатата на всички гравитация.

Основните закони на физиката изобщо не се вълнуват в каква посока се движи времето. Например правилата, които регулират орбитите на планетите, работят независимо от това дали времето се движи напред, или назад.

Вие може да наблюдавате движенията в Слънчевата система в обратен ред и те ще изглеждат напълно нормално, без да нарушават нито един от законите на физиката. Какво отличава бъдещето от миналото?

„Проблемът със стрелата на времето винаги е вълнувал хората“, казва Флавио Меркати от Института по теоретична физика „Периметър“ във Ватерло, Канада.

Повечето хора, които се замислят за стрелата на времето, казват, че тя се определя от ентропията – количеството безпорядък в системата, била тя купичка с каша или Вселената. Според втория закон на термодинамиката общата ентропия в затворена система винаги расте. Докато ентропията расте, времето се движи в същата посока.

Когато кубчето лед във вашата чаша се топи и разрежда вашето уиски, ентропията расте. Когато разбивате яйце, ентропията расте. Двата примера са необратими – не можете да замразите кубчето лед в чашата с топло уиски или да съберете яйцето в белтък и жълтък. Последователността на събитията – а значи и на времето – се движи само в една посока.

Ако стрелата на времето следва ръста на ентропията и ако ентропията във Вселената винаги расте, значи в даден момент в миналото ентропията трябва да е била ниска. Тук се ражда и загадката: защо ентропията във Вселената в началото е била ниска?

Според Мекарти и колегите му не имало никакво особено начално състояние по принцип. Вместо това състоянието, което е посочило на времето да се движи напред, се е появило по естествен път във Вселената под диктовката на гравитацията. Учените са описали този аргумент в наскоро публикувана статия във Physical Review Letters.

За проверка на идеята си учените моделирали Вселената във вид на съвкупност от хиляди частици, които си взаимодействат само посредством гравитация и представляват галактики и звезди, плаващи в пространството.

Учените открили, че независимо от стартовите позиции и скоростите в даден момент частиците неизбежно се оказват групирани заедно в топка, преди отново да се разпилеят. Този момент може да се нарече еквивалент на Големия взрив, когато цялата Вселена се свива в безкрайно малка точка.

Вместо да използват ентропията, учените описват своята система с използването на величина, която наричат „заплитане“ (complexity), определяно като грубо отношение на разстоянието между две частици, които се намират по-далече една от друга, отколкото от останалите. Когато всички частици се слепят ведно, заплитането се намира в най-малката си стойност.

Ключовата идея във всичко това, както обяснява Меркати, е такава: този момент най-малкото заплитане възниква по естествен начин от групата на гравитационно взаимодействащи си частици – никакви специални условия не се изискват. Заплитането се увеличава според това как частиците са разпръскват, представлявайки едновременно и разширение на Вселената, и движение на времето напред.

Ако това не е достатъчно, събитията, които са имали място, преди да се групират частиците – тоест преди Големия взрив, – са се движили във втора посока на времето. Ако проиграете събитията от този момент назад, частиците постепенно ще се разлетят от купа.

Тъй като в тази обратна посока заплитането нараства, втората стрела на времето също ще сочи в миналото. Което, изхождайки от втората посока на времето, ще бъде всъщност „бъдеща“ друга вселена, която съществува от другата страна на Големия взрив. Доста заплетено, съгласете се.

Тази идея прилича на друга, предложена преди 10 години от физиците Шон Карол и Дженифър Чен от Калифорнийския технологичен институт. Те свързали стрелата на времето с идеите, описващи инфлацията, рязкото и бързо разширение на Вселената, което е настъпило веднага след Големия взрив.

„Интересното в тази идея е това, че тя е напълно логично свързана с нас – казва Карол, описвайки своята работа приложимо към стрелата на времето. – Възможно е причината да помним вчерашния ден и да не помним утрешния да се заключава в условията, свързани с Големия взрив.“

Връзката на посоката на времето с простата система от класическата физика е сравнително нова, казва физикът Стив Карлип от Калифорнийския университет в Дейвис. Новото в това е да се откажем от ентропията в полза на идеята за заплитането.

Проблемът на ентропията е в това, че тя се определя в термините енергия и температура, които се измерват посредством външен механизъм от рода на термометър. В случая с Вселената няма никакъв външен механизъм, затова ни е необходима величина, която не се опира на нито една от единиците за измерване. Заплитането, за разлика от това, се явява безразмерно отношение и отговаря на всички изисквания.

Това не означава, че съвсем трябва да се откажем от ентропията. Нашият последователен опит – от рода на уискито – се основава на ентропията. Но при разглеждане на въпроса за времето в космически мащаби е необходимо да оперираме с термина заплитане, а не с термина ентропия.

Още един от основните ограничения на този модел е това, че той изключително е направена на базата на класическата физика, напълно игнорирайки квантовата механика. Също той не включва в себе си общата теория на относителността на Айнщайн.

В него няма тъмна енергия или друго, което е необходимо за създаване на точен модел на Вселената. Но изследователите мислят как да включат по-реалистична физика в модела, което впоследствие би могло да даде възможност да се правят проверими прогнози.

„За мен голям проблем е това, че съществува голямо множество различни физични стрели на времето“, казва Карлип. Директната посока на времето най-често се проявява, без изобщо да включва гравитацията.

Например светлината винаги се излъчва от лампата и никога в посока към нея. Радиоактивните изотопи се разпадат на по-малки атоми, никога обратното. Защо тогава стрелата на времето, появяваща се от гравитацията, тласка другите стрели на времето в същата посока?

„Това е голям въпрос, който остава открит. Мисля, че все още никой няма добър отговор за него“, заключава Карлип.