Είναι ο χρόνος θεμελιώδες μέρος της πραγματικότητας; – Τι λέει η Φυσική εδώ και έναν αιώνα;

Ο χρόνος μοιάζει να είναι το πιο βασικό χαρακτηριστικό της πραγματικότητάς μας. Δευτερόλεπτα, λεπτά, ώρες και μέρες περνούν – και τα πάντα, από την κίνηση των πλανητών μέχρι την ανθρώπινη μνήμη, φαίνονται να ξεδιπλώνονται σε μια ενιαία, μη αναστρέψιμη κατεύθυνση.

Γεννιόμαστε και πεθαίνουμε, με αυτήν ακριβώς τη σειρά. Σχεδιάζουμε τη ζωή μας γύρω από τον χρόνο, τον μετράμε με εμμονή και τον βιώνουμε ως μια αδιάκοπη ροή από το παρελθόν στο μέλλον. Είναι τόσο προφανές ότι ο χρόνος προχωρά, που η αμφισβήτησή του μπορεί να φαίνεται σχεδόν άσκοπη.

Τι λέει η Φυσική;

Κι όμως, για περισσότερο από έναν αιώνα, η Φυσική αγωνίζεται να πει τι είναι στην πραγματικότητα ο χρόνος. Αυτή η προσπάθεια δεν είναι ένα απλό φιλοσοφικό ερώτημα. Βρίσκεται στην καρδιά ορισμένων από τα βαθύτερα προβλήματα της επιστήμης.

Η σύγχρονη Φυσική βασίζεται σε διαφορετικά, αλλά εξίσου σημαντικά, πλαίσια. Το ένα είναι η θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα και την κίνηση μεγάλων αντικειμένων όπως οι πλανήτες. Μια άλλη είναι η κβαντομηχανική, η οποία κυβερνά τον μικρόκοσμο των ατόμων και των σωματιδίων. Και σε ακόμη μεγαλύτερη κλίμακα, το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας περιγράφει τη γέννηση και την εξέλιξη του σύμπαντος στο σύνολό του. Όλα βασίζονται στον χρόνο, ωστόσο, τον αντιμετωπίζουν με διαφορετικούς όσο και ασυμβίβαστους τρόπους.

Όταν οι φυσικοί προσπαθούν να συνδυάσουν αυτές τις θεωρίες σε ένα ενιαίο πλαίσιο, ο χρόνος συχνά συμπεριφέρεται με απροσδόκητους και ανησυχητικούς τρόπους. Μερικές φορές, επιταχύνεται. Μερικές φορές, επιβραδύνεται. Μερικές φορές, εξαφανίζεται εντελώς.

Αϊνστάιν: Ο χρόνος δεν είναι παγκόσμιος

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν ήταν στην πραγματικότητα το πρώτο σημαντικό πλήγμα στην καθημερινή μας διαίσθηση για το χρόνο. Ο χρόνος, έδειξε ο Αϊνστάιν, δεν είναι παγκόσμιος. Λειτουργεί με διαφορετικές ταχύτητες ανάλογα με τη βαρύτητα και την κίνηση. Δύο παρατηρητές θα διαφωνήσουν για το ποια γεγονότα συνέβησαν την ίδια στιγμή. Ο χρόνος έγινε κάτι ελαστικό, πλεγμένο μαζί με το χώρο, σε ένα τετραδιάστατο «ύφασμα» που ονομάζεται χωροχρόνος.

Ο χρόνος στην κβαντομηχανική

Η κβαντομηχανική έκανε τα πράγματα ακόμα πιο περίεργα. Στην κβαντική θεωρία, ο χρόνος δεν είναι κάτι που εξηγεί η θεωρία. Απλώς υποτίθεται. Οι εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής περιγράφουν πώς εξελίσσονται τα συστήματα σε σχέση με το χρόνο, αλλά ο ίδιος ο χρόνος παραμένει μια εξωτερική παράμετρος, ένα ρολόι φόντου που βρίσκεται έξω από τη θεωρία.

Αυτή η αναντιστοιχία γίνεται οξεία όταν οι φυσικοί προσπαθούν να περιγράψουν τη βαρύτητα σε κβαντικό επίπεδο, το οποίο είναι κρίσιμο για την ανάπτυξη της πολυπόθητης θεωρίας των πάντων. Αλλά σε πολλές προσπάθειες να δημιουργηθεί μια τέτοια θεωρία, ο χρόνος εξαφανίζεται ως παράμετρος από τις θεμελιώδεις εξισώσεις συνολικά. Το σύμπαν φαίνεται παγωμένο και περιγράφεται από εξισώσεις που δεν κάνουν καμία αναφορά στην αλλαγή.

Αυτό το παζλ είναι γνωστό ως το πρόβλημα του χρόνου και παραμένει ένα από τα πιο επίμονα εμπόδια σε μια ενοποιημένη θεωρία της Φυσικής. Παρά την τεράστια πρόοδο στην κοσμολογία και τη σωματιδιακή φυσική, εξακολουθούμε να μην έχουμε μια σαφή εξήγηση για το λόγο που ο χρόνος κυλάει.

Τώρα, μια σχετικά νέα προσέγγιση στη Φυσική, που βασίζεται σε ένα μαθηματικό πλαίσιο, την θεωρία πληροφοριών, που αναπτύχθηκε από τον Claude Shannon τη δεκαετία του 1940, έχει αρχίσει να δίνει εκπληκτικές απαντήσεις, σημειώνει ανάλυση του Conversation.

Εντροπία και το βέλος του χρόνου

Όταν οι φυσικοί προσπαθούν να εξηγήσουν την κατεύθυνση του χρόνου, συχνά στρέφονται σε μια έννοια που ονομάζεται εντροπία. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η αταξία τείνει να αυξάνεται. Ένα ποτήρι μπορεί να πέσει και να σπάσει σε ένα χάος, αλλά τα θραύσματα δεν ξαναπηδούν ποτέ αυθόρμητα. Αυτή η ασυμμετρία μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος συχνά ταυτίζεται με το βέλος του χρόνου.

Αυτή η ιδέα είχε τεράστια επιρροή. Εξηγεί γιατί πολλές διαδικασίες είναι μη αναστρέψιμες, συμπεριλαμβανομένου του γιατί θυμόμαστε το παρελθόν αλλά όχι το μέλλον. Εάν το σύμπαν ξεκίνησε σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας και γίνεται όλο και πιο αδιευθέτητο καθώς εξελίσσεται, αυτό φαίνεται να εξηγεί γιατί ο χρόνος προχωρά. Όμως, η εντροπία δεν λύνει πλήρως το πρόβλημα του χρόνου.

Πρώτον, οι θεμελιώδεις κβαντομηχανικές εξισώσεις της Φυσικής δεν κάνουν διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος. Το βέλος του χρόνου εμφανίζεται μόνο όταν λάβουμε υπόψη μεγάλους αριθμούς σωματιδίων και στατιστική συμπεριφορά. Αυτό εγείρει επίσης ένα βαθύτερο ερώτημα: γιατί το σύμπαν ξεκίνησε αρχικά σε μια κατάσταση τόσο χαμηλής εντροπίας; Στατιστικά, υπάρχουν περισσότεροι τρόποι για ένα σύμπαν να έχει υψηλή εντροπία παρά χαμηλή, όπως υπάρχουν περισσότεροι τρόποι για ένα δωμάτιο να είναι ακατάστατο παρά τακτοποιημένο. Γιατί λοιπόν να ξεκινήσει σε μια κατάσταση που είναι τόσο απίθανη;

Η επανάσταση της πληροφορίας

Τις τελευταίες δεκαετίες, μια ήσυχη αλλά εκτεταμένη επανάσταση έχει λάβει χώρα στη Φυσική. Οι πληροφορίες, που κάποτε θεωρούνταν ένα αφηρημένο λογιστικό εργαλείο το οποίο χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση καταστάσεων ή πιθανοτήτων, αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο ως φυσική ποσότητα από μόνη της, ακριβώς όπως η ύλη ή η ακτινοβολία. Ενώ η εντροπία μετρά πόσες μικροσκοπικές καταστάσεις είναι δυνατές, οι πληροφορίες μετρούν τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικές αλληλεπιδράσεις περιορίζουν και καταγράφουν αυτές τις δυνατότητες.

Αυτή η μετατόπιση δεν έγινε από τη μια μέρα στην άλλη. Προέκυψε σταδιακά, οδηγούμενη από γρίφους στη διασταύρωση της θερμοδυναμικής, της κβαντικής μηχανικής και της βαρύτητας, όπου η αντιμετώπιση των πληροφοριών ως απλώς μαθηματικών άρχισε να παράγει αντιφάσεις.

Μια από τις πρώτες ρωγμές εμφανίστηκε στη φυσική της μαύρης τρύπας. Όταν ο Στίβεν Χόκινγκλ έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία, προκάλεσε μια ανησυχητική πιθανότητα: οι πληροφορίες σχετικά με οτιδήποτε πέφτει σε μια μαύρη τρύπα μπορεί να χαθούν οριστικά ως θερμότητα. Αυτό το συμπέρασμα έρχεται σε σύγκρουση με την κβαντική μηχανική, η οποία απαιτεί να διατηρηθεί το σύνολο των πληροφοριών.

Πληροφορία και χωροχρόνος

Η επίλυση αυτής της έντασης ανάγκασε τους φυσικούς να αντιμετωπίσουν μια βαθύτερη αλήθεια. Οι πληροφορίες δεν είναι προαιρετικές. Αν θέλουμε μια πλήρη περιγραφή του σύμπαντος που περιλαμβάνει την κβαντική μηχανική, οι πληροφορίες δεν μπορούν απλώς να εξαφανιστούν χωρίς να υπονομεύσουν τα θεμέλια της Φυσικής. Αυτή η συνειδητοποίηση είχε βαθιές συνέπειες. Έγινε σαφές ότι οι πληροφορίες έχουν θερμοδυναμικό κόστος, ότι η διαγραφή τους διαχέει ενέργεια και ότι η αποθήκευσή τους απαιτεί φυσικούς πόρους.

Αυτές οι ιδέες προκαλούν μια ριζική αλλαγή προοπτικής. Αντί να αντιμετωπίζεται ο χωροχρόνος ως πρωταρχικός και η πληροφορία ως κάτι που ζει μέσα του, η πληροφορία μπορεί να είναι το πιο θεμελιώδες συστατικό από το οποίο αναδύεται ο ίδιος ο χωροχρόνος.

Σκεφτείτε τον χωρόχρονο σαν ένα υλικό κατασκευασμένο από μικροσκοπικά κύτταρα που φέρουν μνήμη. Ακριβώς όπως ένα κρυσταλλικό πλέγμα μπορεί να αποθηκεύσει ελαττώματα που εμφανίστηκαν νωρίτερα στο χρόνο, αυτά τα μικροσκοπικά χωροχρονικά στοιχεία μπορούν να διατηρήσουν ίχνη των αλληλεπιδράσεων που έχουν περάσει από αυτά.

Αυτό έχει μια σημαντική επίπτωση. Εάν ο χωροχρόνος καταγράφει πληροφορίες, τότε η παρούσα κατάστασή του αντανακλά όχι μόνο αυτό που υπάρχει τώρα, αλλά όλα όσα έχουν συμβεί πριν. Οι περιοχές που έχουν βιώσει περισσότερες αλληλεπιδράσεις έχουν διαφορετικό αποτύπωμα πληροφοριών από τις περιοχές που έχουν λιγότερες αλληλεπιδράσεις. Το σύμπαν, από αυτή την άποψη, δεν εξελίσσεται απλώς σύμφωνα με τους διαχρονικούς νόμους που εφαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες καταστάσεις. Θυμάται.

Ένα σύμπαν καταγραφής

Αυτή η ανάμνηση δεν είναι μεταφορική. Κάθε φυσική αλληλεπίδραση αφήνει ένα πληροφοριακό ίχνος. Αν και οι βασικές εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής μπορούν να εκτελεστούν προς τα εμπρός ή προς τα πίσω στο χρόνο, οι πραγματικές αλληλεπιδράσεις δεν συμβαίνουν ποτέ μεμονωμένες. Αναπόφευκτα αφορούνσ το περιβάλλον, διαρρέουν πληροφορίες προς τα έξω και αφήνουν μακροχρόνια αρχεία για το τι έχει συμβεί. Μόλις αυτές οι πληροφορίες εξαπλωθούν στο ευρύτερο περιβάλλον, η ανάκτησή τους θα απαιτούσε την αναίρεση όχι μόνο ενός γεγονότος, αλλά κάθε φυσικής αλλαγής που προκάλεσε στην πορεία. Στην πράξη, αυτό είναι αδύνατο.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι πληροφορίες δεν μπορούν να διαγραφούν και τα σπασμένα ποτήρια δεν συναρμολογούνται ξανά. Αλλά το υπονοούμενο είναι βαθύτερο. Κάθε αλληλεπίδραση γράφει κάτι μόνιμο στη δομή του σύμπαντος, είτε στην κλίμακα των ατόμων που συγκρούονται είτε σχηματίζονται γαλαξίες.

Χρόνος που προκύπτει από πληροφορίες

Πρόσφατα, επιστήμονες επέκτειναν αυτή την ενημερωτική προοπτική στον ίδιο τον χρόνο. Αντί να αντιμετωπίσουν τον χρόνο ως θεμελιώδη παράμετρο υποβάθρου, έδειξαν ότι η χρονική σειρά προκύπτει από την μη αναστρέψιμη αποτύπωση πληροφοριών. Από αυτή την άποψη, ο χρόνος δεν είναι κάτι που προστίθεται στη Φυσική με το χέρι. Προκύπτει επειδή οι πληροφορίες γράφονται σε φυσικές διεργασίες και, σύμφωνα με τους γνωστούς νόμους της θερμοδυναμικής και της κβαντικής φυσικής, δεν μπορούν να είναι ξανά άγραφες σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ιδέα είναι απλή αλλά μεγάλη.

Κάθε αλληλεπίδραση, όπως δύο σωματίδια που συντρίβονται, γράφει πληροφορίες στο σύμπαν. Αυτά τα αποτυπώματα συσσωρεύονται. Επειδή δεν μπορούν να διαγραφούν, ορίζουν μια φυσική σειρά γεγονότων.

Οι κβαντικές εξισώσεις δεν προτιμούν μια κατεύθυνση του χρόνου, αλλά η διαδικασία διάδοσης πληροφοριών προτιμά. Μόλις διαδοθούν οι πληροφορίες, δεν υπάρχει φυσική διαδρομή επιστροφής σε μια κατάσταση στην οποία είχαν εντοπιστεί. Επομένως, η χρονική τάξη είναι κολλημένη σε αυτή τη μη αντιστρεψιμότητα, όχι στις ίδιες τις εξισώσεις.

Ο χρόνος, από αυτή την άποψη, δεν είναι κάτι που υπάρχει ανεξάρτητα από τις φυσικές διεργασίες. Είναι η σωρευτική καταγραφή τού τι έχει συμβεί. Κάθε αλληλεπίδραση προσθέτει μια νέα καταχώρηση και το βέλος του χρόνου αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι αυτή η εγγραφή αυξάνεται μόνο.

Τι πραγματικά είναι ο χρόνος;

Οι ιδέες για τις πληροφορίες δεν αντικαθιστούν τη σχετικότητα ή την κβαντική μηχανική. Σε καθημερινές συνθήκες, ο χρόνος της πληροφορίας παρακολουθεί στενά τον χρόνο που μετράται με ρολόγια. Για πιο πρακτικούς σκοπούς, η γνωστή εικόνα του χρόνου λειτουργεί εξαιρετικά καλά.

Κοντά σε ορίζοντες μαύρης τρύπας ή κατά τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, η συνήθης έννοια του χρόνου ως ομαλή, εξωτερική συντεταγμένη γίνεται ασαφής. Ο χρόνος της πληροφορίας, αντίθετα, παραμένει καλά καθορισμένος όσο συμβαίνουν αλληλεπιδράσεις και οι πληροφορίες καταγράφονται αμετάκλητα.

Όλα αυτά μπορεί να σας κάνουν να αναρωτιέστε τι είναι πραγματικά ο χρόνος. Αυτή η αλλαγή επαναφέρει τη μακροχρόνια συζήτηση. Το ερώτημα δεν είναι πλέον αν ο χρόνος πρέπει να θεωρηθεί ως θεμελιώδες συστατικό του σύμπαντος, αλλά αν αντανακλά μια βαθύτερη υποκείμενη διαδικασία.

Σε αυτή την άποψη, το βέλος του χρόνου μπορεί να προκύψει φυσικά, δηλαδή από φυσικές αλληλεπιδράσεις που καταγράφουν πληροφορίες και δεν μπορούν να αναιρεθούν. Ο χρόνος, λοιπόν, δεν είναι μια μυστηριώδης παράμετρος υποβάθρου που ξεχωρίζει από τη Φυσική. Είναι κάτι που το σύμπαν δημιουργεί εσωτερικά, μέσω της δικής του δυναμικής. Δεν είναι τελικά ένα θεμελιώδες μέρος της πραγματικότητας, αλλά προκύπτει από πιο βασικά συστατικά όπως η πληροφορία.

Το αν αυτό το πλαίσιο θα αποδειχθεί μια τελική απάντηση ή ένα σκαλοπάτι μένει να φανεί. Όπως πολλές ιδέες στη θεμελιώδη Φυσική, θα σταθεί ή θα πέσει με βάση το πόσο καλά συνδέει τη θεωρία με την παρατήρηση. Αλλά ήδη υποδηλώνει μια εντυπωσιακή αλλαγή στην προοπτική.

Το σύμπαν δεν υπάρχει απλώς στο χρόνο. Ο χρόνος είναι κάτι που το σύμπαν γράφει συνεχώς μέσα του.