Fizikai paaiškino, kodėl laikas gali tekėti tik viena kryptimi

Neseniai žurnale “Physical Review Letters“ pasirodė straipsnis, kuriame grupė fizikos teoretikų iš naujo tyrinėjo „laiko strėlę" – koncepciją, apibūdinančią nepaliaujamą laiko judėjimą pirmyn, ir pristatė kitokį žvilgsnį į laiko apraišką Visatos mastu, rašo livescience.com.

Taip pat skaitykite: Kaip išmanusis telefonas sukelia vėžį ir atima regėjimą

Tradiciškai laikas apibūdinamas pasitelkus „praeities hipotezę", teigiančią, kad bet kuri sistema prasideda nuo mažos entropijos būklės ir tuomet, veikiant termodinamikai, jos entropija didėja. Trumpiau tariant: praeitis yra maža entropija, o ateitis – didelė entropija. Pastaroji koncepcija vadinama termodinamine laiko asimetrija.

Savo kasdieniame pasaulyje galime aptikti daug didėjančios entropijos pavyzdžių: tai gali būti kambarį pripildančios dujos ar tirpstantis ledo kubelis. Šiais atvejais entropijos (tuo pačiu ir netvarkos) didėjimo procesas yra negrįžtamas.

Jei pritaikytume tai Visatai, išeitų, kad po Didžiojo sprogimo Visata buvo mažos entropijos būklės, t. y., jos entropija buvo minimali. Bėgant eroms, kol Visata plėtėsi ir vėso, šios didelio masto sistemos entropija didėjo. Taigi, kaip teigia hipotezė, laikas yra susijęs su entropijos, arba netvarkos, laipsniu mūsų Visatoje.

Tačiau ši idėja turi keletą silpnybių.

Egzistuoja kelios stebėjimais pagrįstos įrodymų linijos, rodančios, kad Didžiojo sprogimo aplinka buvo karšta ir sudaryta iš itin netvarkingų pirmapradžių dalelių maišaties. Kol Visata brendo ir vėso, įsitvirtino gravitacija, kuri pavertė Visatą tvarkingesne ir sudėtingesne – pradedant vėstančių dujų debesimis, susiformavusiomis žvaigždėmis ir iš gravitacinio kolapso susidariusiomis planetomis. Galiausiai atsirado organinė chemija, davusi pradžią gyvybei ir žmonėms, kurie dabar filosofuoja apie laiką ir erdvę. Žvelgiant Visatos mastu, „netvarkos“ akivaizdžiai sumažėjo, o ne padaugėjo, kaip numato „praeities hipotezė“.

Vienas iš tyrėjų Flavio Mercati iš teorinę fiziką nagrinėjančio Perimetro instituto (PI) Kanados Ontarijo mieste teigia, kad tai priklauso nuo to, kaip matuojama entropija.

Taip pat skaitykite: Lietuvos mokslininkai, veterinarai ir medikai bendromis jėgomis atliko eksperimentą su plakančia širdimi

Kadangi entropija yra fizinis dydis su energijos ir temperatūros rodikliais, turi būti išorinė atskaitos sistema, kurios atžvilgiu ją būtų galima išmatuoti. „Tai galima atlikti tik su Visatos subsistemomis, nes likusi Visata tampa joms atskaitos tašku. Tačiau pati Visata neturi nieko išoriška, kuo remiantis būtų galima apibrėžti šiuos dalykus“, – elektroniniame laiške „Discovery News“ rašė F. Mercati.

Taigi, jei ne entropija, tai kas varo visuotinį laiką pirmyn?

Sudėtingumas yra bematė kiekybė, apibūdinti, sistemos sudėtingumą. Taigi, pažvelgę į Visatą pamatysime, kad jos sudėtingumas yra tiesiogiai susijęs su laiku: progresuojant laikui, Visata tampa vis labiau struktūruota.

„Savo studijoje mėginame atsakyti į klausimą, kas, visų pirma, padėjo nustatyti šių sistemų mažos entropijos būklę? Mūsų atsakymas: gravitacija ir jos tendencija kurti tvarką bei struktūrą (sudėtingumą) iš chaoso“, – sakė F. Mercati.

Kad patikrintų šią idėją, F. Mercati su savo kolegomis sukūrė kompiuterinius modelius, simuliuojančius daleles žaislinėje Visatoje. Jie nustatė, kad nepaisant to, kaip buvo atliekama simuliacija, Visatos sudėtingumas bėgant laikui tik didėjo, o ne mažėjo.

Po Didžiojo sprogimo Visata prasidėjo nuo mažiausio sudėtingumo būklės (karštos netvarkingų dalelių ir energijos „sriubos“). Tuomet, kai Visata atvėso tiek, kad galėjo įsivyrauti gravitacija, susitelkė dujos, susiformavo žvaigždės ir susidarė galaktikos. Visata tapo nenumaldomai sudėtingesnė, ir gravitaciją reikia laikyti šio proceso varomąja jėga.

„Kiekvienam mūsų tyrinėtam žaisliniam gravitacijos modeliui kažkur viduryje buvo būdinga labai homogeniška, chaotiška ir nestruktūruota būklė, labai primenanti plazmos sriubą, kuri sudarė Visatą, kai atsirado kosminis mikrobangų fonas, – tegė F. Mercati. – Tuomet abiem laiko kryptimis nuo šios būklės gravitacija sustiprindavo nehomogeniškumą ir negrįžtamu būdu sukurdavo daug struktūros bei tvarkos“.

Visatai bręstant, jos subsistemos tapo pakankamai izoliuotos, kad šiose mažos entropijos subsistemose dėl kitų jėgų imtų dominuoti „klasikinė“ laiko strėlė. Tokiose subsistemose, kaip, pavyzdžiui, kasdienis gyvenimas Žemėje, gali vyrauti entropija, sukurianti „termodinaminę laiko strėlę“.

Žvelgiant per Visatos matą, laiką padeda suvokti nuolatinis sudėtingumo augimas, tačiau šiose subsistemose dominuoja entropija.

Taip pat skaitykite: Mokslininkai išvedė peles, kurių smegenys – pusiau žmogaus

„Visata yra struktūra, kurios sudėtingumas vis didėja, – rašė F. Mercati. – Visatą sudaro didžiulės galaktikos, atskirtos plačių tuštumų. Tolimoje praeityje jos buvo labiau susispietusios. Manome, kad mūsų laiko suvokimas yra dėsnio, nulemiančio negrįžtamą sudėtingumo augimą, rezultatas".

Tolesnis šių tyrinėjimų žingsnis bus ieškoti stebėjimais paremtų įrodymų – ties tuo dabar dirba F. Mercati ir jo komanda. „Kol kas nežinome, ar galima tai paremti (stebėjimais), bet žinome, kokio pobūdžio eksperimentai gali patikrinti mūsų idėją. Tai kosmologiniai stebėjimai", – tvirtino mokslininkų komanda.

Kol kas jis neatskleidžia, kokie kosmologiniai stebėjimai bus tyrinėjami, ir pažymi tik tiek, kad jie bus aprašyti kitame, veikiausiai žavingame straipsnyje.