Hogy a gravitáció hogyan tudja megmagyarázni, miért halad előre az idő?
"Az idő nyíljának problémája mindig aggasztotta az embereket" - mondja Flavio Mercati a Peretrikus Intézet elméleti fizikájától (Waterloo, Kanada).
A legtöbb ember, aki az idő nyílára gondol, azt mondja, hogy az entrópia, a rendellenesség (káosz) mennyisége határozza meg, akár egy tálka zabkása vagy az univerzum. A termodinamika második törvénye szerint a zárt rendszer teljes entrópiája folyamatosan növekszik. Amíg az entrópia növekszik, az idő ugyanabban az irányban mozog.
Amikor az üvegben lévő jégkocka megolvad és hígítja a whiskyt a colával, például növekszik az entrópia. Amikor megtöri a tojást, az entrópia növekszik. Mindkét példa visszafordíthatatlan: nem lehet fagyasztani egy jégkockát egy pohárban meleg kóla nélkül, vagy újjászületni a tojást. Az eseménysorozat - és így az idő - csak egy irányban mozog.
Ha az idő nyíl követi az entrópia növekedését, és ha az univerzum entrópiája mindig növekszik, akkor a múlt egy bizonyos pontján az entrópiának alacsonynak kell lennie. Itt születik rejtély: miért volt az elején alacsony az univerzum entrópiája?
A tudósok az ötletet tesztelték, hogy a világegyetemet több ezer olyan részecskék gyűjteményeként alakították ki, amelyek csak a gravitáció révén kölcsönhatásba lépnek egymással, és galaxisokat és csillagokat ábrázolnak a térben.
A tudósok azt találták, hogy a kiindulási pozícióktól és sebességektől függetlenül a részecskék elkerülhetetlenül egy labdába vannak csoportosítva, mielőtt összeomlanak. Ezt a pillanatot az "Big Bang" -nak nevezhetjük, amikor az egész univerzum egy végtelen pontig összeszorul.
Az entrópia használatának helyett a tudósok a "komplexitás" -nak nevezett értéket írják le, amelyet két egymástól távol eső részecskék távolságának durva arányaként definiálnak, a két legközelebbi rész . Ha az összes részecske összeilleszkedik, az összekapcsolódás a legalacsonyabb értéken van.
A kulcsfontosságú ötlet mindezek szerint, ahogy azt Mercatici magyarázza, ez az: ez a legkevésbé zavaró pillanat természetesen a gravitációsan kölcsönható részecskék csoportjából származik - nincs szükség különleges feltételekre. A behatolódás nő, ahogy a részecskék szétválnak, ami mind a világegyetem kiterjedését, mind az idő előrehaladását képviseli.
Ha ez nem elég, akkor a részecskék előtti események csoportosítása - vagyis a Big Bang előtt - a második irányba mozdult. Ha elveszíti az eseményeket ettől a pillanattól kezdve, a részecskék fokozatosan szétszóródnak a klasztertől. Mivel a beakadások ebben a fordított irányban nőnek, ez a második nyíl is a múltra mutat. Ami a második irányból haladva valójában egy másik univerzum "jövője" lesz, amely túl van a nagy bummban. Nagyon zavaros, egyetértek.
Ez az elképzelés hasonló ahhoz a tíz évvel ezelőtt, amikor a fizikusok Shawn Carroll és Jennifer Chen a California Institute of Technology felajánlották. Az időbillentyűt az inflációra, az univerzum éles és gyors kiterjesztésére vonatkozó ötletekkel kötözték össze, amelyek közvetlenül a nagy bumm után következtek be.
"Az ebben az ötletben érdekes, hogy logikusan kapcsolatban áll velünk" - mondta Carroll, és leírta a munkáját az idős nyílra vonatkozóan. "Talán az az oka, hogy tegnap emlékszünk, és nem emlékszünk holnapra a Big Bang-hoz kapcsolódó feltételek."
Az idő irányának egy egyszerű klasszikus fizika rendszerrel való összekapcsolása viszonylag új, mondja a kaliforniai Davis-i Egyetem, Steve Karlip fizikus. Új ebben az, hogy elhagyja az entrópiát az összefonódás eszméjének javára. Az entrópia problémája az, hogy az energiát és a hőmérsékletet határozza meg, amelyet egy külső mechanizmus, például egy hőmérő mér. A világegyetem esetében nincs külső mechanizmus, ezért olyan értékre van szüksége, amely egyetlen mértékegységre sem támaszkodik. A zavartság ezzel szemben dimenzió nélküli hozzáállás, és megfelel minden követelménynek.
Ez nem jelenti azt, hogy teljesen el kell adnunk az entrópiát. Mindennapi tapasztalatunk - mint a hűvös limonádé - az entrópiára támaszkodik. De amikor az idő kérdését egy kozmikus skálán mérlegeljük, akkor az entrópia helyett az összekapcsolódás fogalmával kell működni.
Ennek a modellnek az egyik legfőbb korlátja, hogy kizárólag a klasszikus fizikán alapul, teljesen mellőzik a kvantummechanikát. Nem tartalmazza Einstein általános relativitáselméletét sem. Nincs olyan sötét energia, vagy bármi más, amire szükség van a világegyetem pontos modelljének létrehozásához. De a kutatók arra gondolnak, hogyan építsünk be egy reálisabb fizikát a modellbe, ami később lehetővé teheti az igazolható előrejelzések elkészítését.
"Számomra a nagy probléma az, hogy sok különböző időbeli fizikai nyíl van" - mondja Karlip. Az idő közvetlen iránya gyakran nyilvánul meg teljesen a gravitáció nélkül. Például, a fény mindig sugárzik egy lámpából - soha nem feléjük. A radioaktív izotópok könnyebb atomokká bomlanak, soha nem fordítva. Miért van tehát az idő nyílja, amely a gravitációból ered, az idő többi nyílját ugyanabba az irányba tolja?
"Ez egy nagy kérdés, amely nyitva marad. Úgy gondolom, hogy eddig senki sem válaszolt erre a kérdésre.