Wiadomo, dlaczego czas płynie w jednym kierunku

Czas płynie do przodu. Stwierdzenie to wydaje się tak oczywiste, że kwestionowanie go może wydawać się bezcelowe. Czas wydaje się bowiem najbardziej podstawową cechą rzeczywistości. Mijają sekundy, minuty, godziny, dni – wszystko, od ruchu planet po pamięć ludzką, wydaje się rozwijać w jednym, nieodwracalnym kierunku.

Współczesna fizyka opiera się na różnych, ale równie ważnych paradygmatach. Jednym z nich jest gólna teoria względności Alberta Einsteina, która opisuje grawitację i ruch dużych obiektów, takich jak planety. Inny to mechanika kwantowa, która rządzi mikrokosmosem atomów i cząstek elementarnyh. A na jeszcze większą skalę, standardowy model kosmologii opisuje narodziny i ewolucję wszechświata jako całości. Wszystkie uwzględniają parametr czasu, ale traktują go w różny sposób. Czas  zachowuje się w nieoczekiwany i niepokojący sposób: czasami się rozciąga, czasami zwalnia, czasami znika całkowicie – – wyjaśnia Florian Neukart, adiunkt fizyki na Uniwersytecie w Lejdzie.

Teoria względności była w  pierwszym poważnym ciosem dla naszej codziennej intuicji dotyczącej czasu. Einstein pokazał, że czas nie jest uniwersalny. Biegnie z różnymi prędkościami w zależności od grawitacji i ruchu. Dwóch obserwatorów poruszających się względem siebie nie zgodzi się co do tego, które wydarzenia miały miejsce w tym samym czasie. Czas stał się czymś elastycznym, splecionym z przestrzenią w czterowymiarową tkaninę reczywistości określaną jako czasoprzestrzeń.

Mechanika kwantowa sprawiła, że wszystko stało się jeszcze dziwniejsze. W fizyce kwantowej czas nie jest czymś, co teoria wyjaśnia. Zakłada się go po prostu. Równania mechaniki kwantowej opisują, w jaki sposób układy ewoluują w zależności od czasu, ale sam czas pozostaje parametrem zewnętrznym, zegarem tła, który znajduje się poza teorią.

Pojmowanie czasu staje się jeszcze bardziej skomplikowane, gdy fizycy próbują opisać grawitację na poziomie kwantowym, co jest kluczowe dla opracowania teori wszystkiego, która połączy główne teorie fundamentalne. Jednak w wielu próbach stworzenia takiej teorii czas całkowicie znika jako parametr z równań podstawowych. Wszechświat wydaje się zamrożony, opisują go równania, które nie odnoszą się do zmian.

Problem czasu pozostaje jedną z najbardziej trwałych przeszkód na drodze do stworzenia jednolitej teorii fizyki. Pomimo ogromnego postępu w kosmologii i fizyce cząstek elementarnych nadal brakuje jasnego wyjaśnienia, dlaczego czas w ogóle płynie. Stosunkowo nowe podejście do fizyki, oparte na ramach matematycznych zwanych teorią informacji, opracowanej przez Claude’a Shannona w latach 40. XX wieku, zaczął generować zaskakujące odpowiedzi.

Entropia i strzałka czasu

Kiedy fizycy próbują wyjaśnić kierunek czasu, często odwołują się do koncepcji entropii (stopień nieuporządkowania). Druga zasada termodynamiki głosi, że nieporządek ma tendencję do wzrostu. Szklanka może spaść i rozrysnąć się tworząc bezład, ale odłamki nigdy spontanicznie nie połączą się z powrotem w szklanę. Tę asymetrię między przeszłością a przyszłością często utożsamia się ze strzałką czasu.

Wyjaśnia to, dlaczego wiele procesów jest nieodwracalnych, w tym dlaczego pamiętamy przeszłość, ale nie przyszłość. Jeśli wszechświat rozpoczął się w stanie niskiej entropii (dużego uporządkowania) i w miarę ewolucji staje się coraz bardziej chaotyczny, wydaje się to wyjaśniać, dlaczego czas płynie do przodu. Ale entropia nie rozwiązuje w pełni problemu czasu.

Po pierwsze, podstawowe równania fizyki mechaniki kwantowej nie rozróżniają przeszłości i przyszłości. Strzałka czasu pojawia się tylko wtedy, gdy bierzemy pod uwagę dużą liczbę cząstek i zachowania statystyczne. Rodzi to również głębsze pytanie: dlaczego wszechświat na początku znajdował się w tak niskim stanie entropii? Statystycznie rzecz biorąc, wszechświat powinien mieć wysoką entropię (być nieuporządkowym), a nie niską (znajdować się w stanie wysokiego uporządkowania). Dlaczego więc wszystko miałoby się zacząć w stanie, który jest tak nieprawdopodobny?

Rewolucyjna teoria informacji

W ciągu ostatnich kilku dekad w fizyce miała miejsce cicha, ale dalekosiężna rewolucja. Informacje, kiedyś traktowane jako abstrakcyjne narzędzie służące do śledzenia stanów lub prawdopodobieństw, są coraz częściej uznawane za odrębną wielkość fizyczną, podobnie jak materia lub promieniowanie. Podczas gdy entropia mierzy, ile stanów mikroskopowych jest możliwych, informacja mierzy, w jaki sposób oddziaływania fizyczne ograniczają i rejestrują te możliwości. Zmiana ta nie nastąpiła z dnia na dzień. Pojawiała się stopniowo, napędzana zagadkami na styku termodynamiki, mechaniki kwantowej i grawitacji, gdzie zaczęły pojawiać się matematyczne sprzeczności dotyczące informacji.

Stephen Hawking pokazał, że czarne dziury emitują promieniowanie cieplne, stwarza to niepokojącą możliwość: informacja o tym, co wpadnie do czarnej dziury, może zostać trwale utracona w postaci wyparowywanego ciepła. Wniosek ten jest sprzeczny z mechaniką kwantową, która wymaga zachowania całości informacji (zasada zachowania informacji). Informacja nie może po prostu zniknąć bez podważenia podstawowych praw. Ma więc koszt termodynamiczny: jej wymazanie rozprasza energię, a jej przechowywanie wymaga zasobów fizycznych.

Równolegle pojawiły się zaskakujące powiązania między grawitacją a termodynamiką. Wykazano, że równania Einsteina można wyprowadzić z zasad termodynamiki, które łączą geometrię czasoprzestrzeni bezpośrednio z entropią i informacją. Z tego punktu widzenia grawitacja nie zachowuje się dokładnie jak siła podstawowa. Zamiast tego wydaje się być zjawiskiem emergentnym (całość jest większa niż tylko suma jego części) i wynika z bardziej podstawowych składników. Pojedyńcza cząstka nie może mieć temperatury, pojawia siędopiero w wyniku zbiorowego przemieszczania się wielu cząsteczek (wysoka temperatura = szybki ruch).

Podobnie grawitację można opisać jako zjawisko wyłaniające się, wynikające z procesów statystycznych. Niektórzy fizycy sugerowali nawet, że sama grawitacja może wyłonić się z informacji, odzwierciedlając sposób dystrybucji, kodowania i przetwarzania informacji.

Nastąpiła radykalna zmiana perspektywy. Zamiast traktować czasoprzestrzeń jako coś pierwotnego, a informację jako coś, co w niej się znajduje, stwierdzono: informacja może być bardziej podstawowym składnikiem, z którego wyłania się sama czasoprzestrzeń. Zbadano ramy, w których sama czasoprzestrzeń działa jako nośnik informacji – i ma ważne konsekwencje dla tego, jak postrzegamy czas.

W tym podejściu czasoprzestrzeń nie jest idealnie gładka, jak sugeruje teoria względności, ale składa się z „elementów dyskretnych” – każdy o zdolności do rejestrowania informacji kwantowej z cząstek i pól. Elementy te nie są bitami w sensie cyfrowym, ale fizycznymi nośnikami informacji kwantowej, zdolnymi do zachowania pamięci o przeszłych interakcjach.

Dla zobrazowania: czasoprzestrzeń zbudowana jest z maleńkich komórek niosących pamięć. Tak jak sieć krystaliczna może przechowywać defekty, które pojawiły się wcześniej w czasie, tak te mikroskopijne elementy czasoprzestrzeni mogą zachować ślady interakcji, które przez nie przeszły. Nie są to cząstki w zwykłym znaczeniu opisanym przez standardowy model fizyki cząstek elementarnych, ale bardziej podstawowa warstwa struktury fizycznej.

Jeśli czasoprzestrzeń rejestruje informacje, to jej obecny stan odzwierciedla nie tylko to, co istnieje teraz, ale wszystko, co wydarzyło się wcześniej. Regiony, które doświadczyły większej liczby interakcji, noszą inny ślad informacji niż regiony, które doświadczyły ich mniej. Z tego punktu widzenia wszechświat nie ewoluuje jedynie zgodnie z ponadczasowymi prawami rządzącymi zmieniającymi się stanami, ale także pamięta.

Rejestrujący kosmos

Każda interakcja fizyczna pozostawia ślad informacyjny. Rzeczywiste oddziaływania nigdy nie zachodzą w izolacji. Nieuchronnie wiążą się z otoczeniem. Pozostawiają trwałe zapisy tego, co się wydarzyło. Gdy informacja rozprzestrzeni się w szerszym środowisku, jej odzyskanie wymagałoby cofnięcia nie tylko pojedynczego zdarzenia, ale każdej fizycznej zmiany, jaką spowodowało po drodze. W praktyce jest to niemożliwe. Dlatego informacji nie można usunąć, a roztrzaskane szklanki nie składają się ponownie w całość. Implikacje są głębsze. Każda interakcja zapisuje coś trwałego w strukturze wszechświata, zarówno w skali zderzających się atomów, jak i tworzących się galaktyk.

Geometria i informacja okazują się w tym ujęciu głęboko ze sobą powiązane. W pracy zespołu fizyka Floriana Neukarta z Uniwersytet w Lejdzie pokazano, jak krzywe czasoprzestrzeni zależą nie tylko od masy i energii, jak wykazał Einstein, ale także jak rozprowadzana jest informacja kwantowa, zwłaszcza splątanie. Splątanie jest procesem kwantowym, który w tajemniczy sposób łączy cząstki w odległych obszarach przestrzeni – umożliwia im dzielenie się w czasie rzeczywistym informacjami pomimo dużej odległości.

Te powiązania informacyjne implikują nową geometrię, w jakiej tkwi materia i promieniowanie. Z tej perspektywy geometria czasoprzestrzeni nie kształtuje się tylko pod wpływem tego, co istnieje w danym momencie, ale także tego, co się już wydarzyło. Regiony, w których odnotowano wiele interakcji, zachowują się średnio tak, jakby były silniej zakrzywione i miały silniejszą grawitację, niż regiony, w których odnotowano ich mniej.

To przeformułowanie subtelnie zmienia rolę czasoprzestrzeni. Zamiast być neutralną areną, na której rozgrywają się wydarzenia, staje się aktywnym uczestnikiem. Przechowuje informacje, ogranicza przyszłą dynamikę i kształtuje sposób, w jaki mogą zachodzić nowe interakcje. To rodzi głębsze pytanie. Jeśli czasoprzestrzeń zapisuje informacje, czy czas może wyłonić się z tego procesu zapisu?

Czas wynikający z informacji

Zamiast traktować czas jako podstawowy parametr tła, pokazano, że porządek czasowy powstaje w wyniku nieodwracalnego „odcisku palca” informacji. Z tego punktu widzenia czas nie jest czymś, co się dodaje do fizyki. Informacja jest zapisywana w procesach fizycznych i zgodnie ze znanymi prawami termodynamiki i fizyki kwantowej nie może być ponownie globalnie odpisana. Każda interakcja, jak np. zderzenie dwóch cząstek, zapisuje informacje we wszechświecie. Odciski te kumulują się. Ponieważ nie można ich wymazać, definiują one naturalny porządek zdarzeń. Wcześniejsze stany to te, które mają mniej zapisów informacyjnych. Późniejsze stany to te, które mają ich więcej.

Równania kwantowe nie preferują kierunku czasu, ale proces rozprzestrzeniania się informacji już tak. Po rozpowszechnieniu się informacji nie ma fizycznej ścieżki powrotnej do poprzedniego stanu. Porządek czasowy jest zatem zakotwiczony w tej nieodwracalności, a nie w samych równaniach.

Z tego punktu widzenia czas nie jest czymś, co istnieje niezależnie od procesów fizycznych. Jest to zbiorczy zapis tego, co się wydarzyło. Każda interakcja dodaje nowy wpis, a strzałka czasu odzwierciedla fakt, że przybywa rekordów – zbioru powiązanych danych. Wyjaśnia to, dlaczego czas ma swój kierunek, nie opierając się na specjalnych warunkach początkowych o niskiej entropii ani na czysto statystycznych argumentach. Dopóki zachodzą interakcje i informacje są nieodwracalnie rejestrowane, czas postępuje.

Ten nagromadzony ślad informacji może mieć zauważalne konsekwencje. W skali galaktycznej ślad informacji zachowuje się jak dodatkowy składnik grawitacyjny, kształtujący obroty galaktyk bez odwoływania się do nowych cząstek. Nieznana substancja zwana ciemną materią została wprowadzona, aby wyjaśnić, dlaczego galaktyki i gromady galaktyk obracają się szybciej, niż pozwalałaby na to sama ich widoczna masa.

Z informacyjnego obrazu wynika, że to dodatkowe przyciąganie grawitacyjne nie pochodzi z niewidzialnej ciemnej materii, ale z faktu, że sama czasoprzestrzeń odnotowała długą historię interakcji. Regiony, które zgromadziły więcej śladów informacyjnych, silniej wpływają na ruch i krzywiznę czasoprtzestrzeni, skutecznie zwiększając grawitację. Gwiazdy krążą szybciej nie dlatego, że występuje większa masa, ale dlatego, że czasoprzestrzeń, w której się przemieszczają, niesie ze sobą „cięższą” pamięć informacyjną o przeszłych interakcjach.

Z tego punktu widzenia ciemna materia, ciemna energia i strzałka czasu mogą powstać w wyniku jednego podstawowego procesu: nieodwracalnego gromadzenia informacji we Wszechświecie. Wszechświat nie istnieje po prostu w czasie. Czas jest czymś, co wszechświat nieustannie zapisuje w sobie.

Źródło: https://www.space.com/science/particle-physics/is-time-a-fundamental-part-of-reality-a-quiet-revolution-in-physics-suggests-not