Czas nie jest fundamentalną częścią rzeczywistości? Być może jest czymś, co tworzy się spontanicznie

Spis treści:

1. Różne traktowanie czasu
2. Teoria informacji
3. Czasoprzestrzeń jako nośnik informacji
4. Perspektywa czasu

„Czas wydaje się najbardziej podstawową cechą rzeczywistości. Sekundy tykają, dni mijają, a wszystko (…) zdaje się rozwijać w jednym, nieodwracalnym kierunku. Rodzimy się i umieramy, dokładnie w tej kolejności. Planujemy nasze życie wokół czasu, obsesyjnie go mierzymy i doświadczamy go jako nieprzerwanego przepływu od przeszłości do przyszłości. Wydaje się tak oczywiste, że czas płynie naprzód, iż jego kwestionowanie może wydawać się niemal bezcelowe. A jednak od ponad wieku fizyka zmaga się z pytaniem, czym właściwie jest czas. Ta walka legła u podstaw jednych z najgłębszych problemów w nauce” – napisał w artykule opublikowanym na łamach „The Conversation” fizyk dr Florian Neukart, adiunkt na Uniwersytecie w Lejdzie.

Różne traktowanie czasu

Współczesna fizyka opiera się na kilku ramach teoretycznych. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina opisuje grawitację i ruch dużych obiektów, takich jak planety. Mechanika kwantowa rządzi mikroświatem atomów i cząstek. Tak zwany model standardowy kosmologii opisuje narodziny i ewolucję całego Wszechświata. Wszystkie opierają się na czasie, a jednak traktują go w różny sposób.

Już teoria względności wybija nas z intuicyjnego postrzegania uniwersalności czasu. Bo według niej czas płynie z różną prędkością w zależności od grawitacji i ruchu. Einstein pokazał, że czas jest spleciony z przestrzenią w czterowymiarową strukturę zwaną czasoprzestrzenią.

Mechanika kwantowa uczyniła sytuację jeszcze dziwniejszą. W teorii kwantowej czas jest po prostu założony. Równania mechaniki kwantowej opisują, jak układy ewoluują względem czasu, ale sam czas pozostaje zewnętrznym parametrem, tłem – zegarem znajdującym się poza teorią.

Ta niezgodność staje się szczególnie wyraźna, gdy fizycy próbują opisać grawitację na poziomie kwantowym, co jest kluczowe dla stworzenia upragnionej teorii wszystkiego – łączącej główne teorie fundamentalne. Pomimo ogromnych postępów w kosmologii i fizyce cząstek nadal brakuje nam jasnego wyjaśnienia, dlaczego czas w ogóle płynie. Ciekawe odpowiedzi daje teoria informacji rozwijana przez Claude’a Shannona w latach 40. ubiegłego wieku.

Teoria informacji

W ciągu ostatnich kilku dekad w fizyce zaszła cicha, ale dalekosiężna rewolucja. Informacja, wcześniej traktowana jako abstrakcyjne narzędzie do śledzenia stanów lub prawdopodobieństw, coraz częściej uznawana jest za wielkość fizyczną samą w sobie, podobnie jak materia czy promieniowanie. Podczas gdy entropia mierzy liczbę możliwych stanów mikroskopowych, informacja mierzy, jak interakcje fizyczne ograniczają i zapisują te możliwości.

Gdy Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury emitują promieniowanie, pojawił się problem zachowania informacji. Bo jeśli uzna się teorię Hawkinga, to trzeba zaakceptować, że informacja o wszystkim, co wpada do czarnej dziury, może zostać na zawsze utracona jako ciepło. Wniosek ten był sprzeczny z mechaniką kwantową, która wymaga zachowania informacji.

Rozwiązanie tego problemu zmusiło fizyków do przyznania, że informacja nie jest opcjonalna. Jeśli chcemy pełnego opisu Wszechświata uwzględniającego mechanikę kwantową, informacja nie może po prostu znikać bez podważenia podstaw fizyki. Stało się jasne, że informacja ma koszt termodynamiczny, że usuwanie jej rozprasza energię, a przechowywanie wymaga zasobów fizycznych.

Te idee prowadzą do radykalnej zmiany perspektywy. Zamiast traktować czasoprzestrzeń jako coś pierwotnego, a informację jako coś, co w niej istnieje, możliwe jest, że to informacja jest bardziej fundamentalnym składnikiem, z którego sama czasoprzestrzeń się wyłania.

Czasoprzestrzeń jako nośnik informacji

– Opierając się na tych badaniach, moi współpracownicy i ja opracowaliśmy ramy teoretyczne, w których sama czasoprzestrzeń działa jako nośnik informacji. A to ma istotne konsekwencje dla tego, jak postrzegamy czas – wyjaśnia Florian Neukart.

Jeśli czasoprzestrzeń zapisuje informację, to jej obecny stan odzwierciedla nie tylko to, co istnieje teraz, ale także wszystko, co wydarzyło się wcześniej. Obszary, które doświadczyły większej liczby oddziaływań, niosą inny ślad informacyjny niż te, które doświadczyły ich mniej. Wszechświat, w tym ujęciu, nie tylko ewoluuje zgodnie z bezczasowymi prawami stosowanymi do zmieniających się stanów. On pamięta i wcale nie jest to metafora.

Każde oddziaływanie fizyczne pozostawia ślad informacyjny. Gdy informacja rozprzestrzeni się w szerszym środowisku, jej odzyskanie wymagałoby odwrócenia nie tylko jednego zdarzenia, ale każdej zmiany fizycznej, którą ono wywołało po drodze. W praktyce jest to niemożliwe. Dlatego właśnie informacja nie może być usunięta, a rozbite filiżanki nie składają się z powrotem. Ale konsekwencje sięgają głębiej. Każde oddziaływanie zapisuje coś trwałego w strukturze Wszechświata – niezależnie od tego, czy chodzi o zderzenia atomów, czy formowanie się galaktyk.

Perspektywa czasu

– Niedawno rozszerzyliśmy tę informacyjną perspektywę na sam czas. Zamiast traktować czas jako fundamentalny parametr tła, pokazaliśmy, że porządek czasowy wyłania się z nieodwracalnego zapisywania informacji. W tym ujęciu czas nie jest czymś, co dodaje się do fizyki „z zewnątrz”. Powstaje, ponieważ informacja jest zapisywana w procesach fizycznych i – zgodnie ze znanymi prawami termodynamiki i mechaniki kwantowej – nie może zostać globalnie usunięta. Idea jest prosta, ale dalekosiężna – mówi naukowiec.

To, czy ten model okaże się ostateczną odpowiedzią, czy jedynie krokiem pośrednim, pozostaje do ustalenia. Jak wiele idei w fizyce fundamentalnej, będzie on oceniany na podstawie tego, jak dobrze łączy teorię z obserwacją. Już teraz jednak sugeruje uderzającą zmianę perspektywy. Wszechświat nie istnieje w czasie. To czas jest czymś, co Wszechświat nieustannie zapisuje w samym sobie.

Źródło: The Conversation

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.