W tym wpisie na blogu rozważamy, czy czas rzeczywiście płynie wyłącznie w linii prostej i w jaki sposób jego kierunek może się zmieniać we wszechświecie i ewolucji.
Czym jest czas? Augustyn z Hippony powiedział: „Kiedy nikt nie pyta, wiem, czym jest czas; ale kiedy próbuję to wyjaśnić, już nie wiem”. Słowa Augustyna z Hippony trafnie wskazują na naturę czasu. Choć jego istota jest trudna do uchwycenia, jasne jest, że czas płynie jak strzała, od przeszłości ku przyszłości. Ten przepływ przenika każdą chwilę naszego życia, a ludzkie doświadczenie jest ustrukturyzowane przez upływ czasu. Przeszłość, którą pamiętamy, przyszłość, którą przewidujemy, i teraźniejszość, w której żyjemy – wszystkie istnieją w ramach czasu.
Badania naukowe nad kierunkowością czasu rozpoczęły się dopiero w czasach nowożytnych, z dwiema głównymi perspektywami: czasem kosmologicznym i czasem termodynamicznym. Czas kosmologiczny odnosi się do kierunku, w którym rozszerza się Wszechświat. Czas termodynamiczny to koncepcja związana z postępem czasu w kierunku rosnącej entropii, czyli nieuporządkowania. Te dwie perspektywy stanowią niezbędne ramy dla zrozumienia pojęcia czasu, a każda z teorii odgrywa unikalną rolę w jego wyjaśnianiu.
Czas kosmologiczny, koncepcja czasu odnosząca się do wszechświata, została przedstawiona za pomocą praw Izaaka Newtona i teorii względności Alberta Einsteina. Zgodnie z prawami Izaaka Newtona, znajomość aktualnego stanu obiektu – jego położenia i prędkości – pozwala nam określić jego stan przyszły lub przeszły. Jednakże, stosując te prawa do całego wszechświata, niemożliwe staje się określenie, czy kierunek czasu wskazuje przeszłość, czy przyszłość. Innymi słowy, nawet gdyby założyć, że czas płynie wstecz, ruch obiektów nadal zdawałby się podlegać prawom Izaaka Newtona. Nazywa się to symetrią czasu. Na przykład, film przedstawiający ruch planet zarejestrowany przez sondę kosmiczną byłby odtwarzany idealnie, niezależnie od tego, czy byłby odtwarzany od przodu, czy od tyłu, i nadal dobrze pasowałby do praw Izaaka Newtona. Dlatego same prawa Newtona nie mogą adekwatnie wyjaśnić kierunkowości czasu kosmologicznego, który, jak się uważa, postępuje w kierunku obecnego rozszerzającego się wszechświata.
Co więcej, nawet teoria względności Alberta Einsteina, znana jako teoria, która jak dotąd najlepiej wyjaśnia ekspansję Wszechświata, nie dostarcza właściwego wyjaśnienia kierunkowości czasu. Chociaż teoria względności Alberta Einsteina wniosła przełomowy wkład, redefiniując relację między czasem a przestrzenią i wyjaśniając funkcjonowanie Wszechświata, wciąż pozostawia ona luki w kwestii asymetrii czasu. To ograniczenie skłoniło naukowców do poszukiwania nowej, zunifikowanej teorii i wymaga głębszego zrozumienia funkcjonowania czasu.
Tymczasem czas termodynamiczny odnosi się do czasu opisanego przez Drugą Zasadę Termodynamiki. Zgodnie z tą zasadą, zjawiska naturalne przebiegają w kierunku, w którym energia rozprasza się, a entropia rośnie. Tak jak ceramiczny garnek rozbija się, gdy upadnie na podłogę, czy dym unoszący się w pomieszczeniu stopniowo rozprasza się i rozprzestrzenia dalej na zewnątrz, gdy okno jest otwarte, tak natura postępuje w kierunku stanu maksymalnego nieuporządkowania. Czas obserwowany w tych przykładach jest nieodwracalny, stąd nazywany czasem nieodwracalnym. Kierunek tych zjawisk naturalnych jest właśnie kierunkiem czasu termodynamicznego. To prawo wyjaśnia kierunkowość czasu, którego doświadczamy w naszym codziennym świecie, nie odchodząc od rzeczywistości.
Czasami Druga Zasada Termodynamiki może wydawać się problematyczna. Wydaje się ona sprzeczna z teorią ewolucji, która zakłada, że formy życia powstają i ewoluują w organizmy uporządkowane. Dzieje się tak, ponieważ ewolucja zakłada, że prostsze formy życia ewoluują w bardziej złożone, co implikuje wzrost stopnia uporządkowania. Odnosząc się do tej pozornej sprzeczności, Ilja Romanowicz Prigogine wykazał, że porządek może wyłonić się z nieporządku, wyjaśniając w ten sposób, jak teoria ewolucji i Druga Zasada Termodynamiki mogą współistnieć. Oznacza to, że w przyrodzie nie tylko zachodzą procesy dążące do równowagi termicznej – stanu maksymalnej entropii – ale mogą również występować zjawiska nierównowagowe, które minimalizują wzrost entropii. Innymi słowy, podczas gdy cały świat przyrody niewątpliwie zmierza w kierunku równowagi termicznej, stany nierównowagowe mogą występować w określonych obszarach czasoprzestrzeni.
Na przykład, gdy kropla atramentu wpadnie do wody, stan końcowy staje się bladym stanem równowagi. Jednak obserwacja procesu ujawnia wzory i struktury tworzone w miarę rozprzestrzeniania się atramentu. Jest to dokładnie przykład stanu nierównowagowego, który tymczasowo pojawia się w wodzie. Teoria ewolucji jest również postrzegana jako zjawisko odpowiadające temu procesowi, w którym stany nierównowagowe utrzymują się. Wyjaśniona w ten sposób, Druga Zasada Termodynamiki może współistnieć bez sprzeczności z teorią ewolucji, skutecznie wyjaśniając kierunkowość codziennego czasu. Co więcej, ten aspekt drugiej zasady termodynamiki sugeruje, że kierunkowość czasu nie wynika wyłącznie ze wzrostu entropii; lokalnie może wzrastać porządek i złożoność. Jest to zgodne z różnymi zjawiskami naturalnymi zachodzącymi wokół nas i odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu złożoności życia i ewolucji.
Ale co się stanie, jeśli rozszerzymy tę drugą zasadę termodynamiki na cały wszechświat? Ostatecznie wszechświat przejdzie ze stanu niskiej entropii do stanu wysokiej entropii i nieuporządkowania. Jeśli ten proces wzrostu entropii będzie trwał w nieskończoność, wszechświat osiągnie stan maksymalnej entropii – stan zwany śmiercią cieplną, w którym cała użyteczna energia ulega całkowitemu rozproszeniu i nie następuje dalsza aktywność. Ten stan śmierci cieplnej reprezentuje ostateczny punkt końcowy czasu. Jednak ta interpretacja nie uwzględnia siły grawitacji działającej podczas procesu ekspansji wszechświata. Dlatego pozostaje ona jedynie hipotezą i nie opisuje dokładnie rzeczywistego czasu wszechświata.
Podobnie, Druga Zasada Termodynamiki ma moc wyjaśniającą jedynie w kontekście świata codziennego; nie potrafi ona w wystarczającym stopniu wyjaśnić kierunkowości czasu odnoszącej się do całego wszechświata. Podobnie, opisane wcześniej prawa Izaaka Newtona i teoria względności również nie są w stanie wyjaśnić kierunkowości czasu kosmologicznego. Pojęcie czasu jest o wiele bardziej złożone niż to, czego doświadczamy w życiu codziennym, i wymaga znacznie więcej badań i zrozumienia jego istoty. Aby uzyskać prawdziwe wyjaśnienie kierunkowości czasu, potrzebna jest zunifikowana teoria, która mogłaby jednocześnie wyjaśnić zarówno kierunkowość czasu codziennego, jak i kierunkowość czasu odnoszącą się do całego wszechświata. Stworzenie takiej teorii stanowi ogromne wyzwanie dla współczesnej nauki.
