Ce este timpul şi care este originea săgeţii timpului?

Imaginați-vă că timpul s-ar scurge în sens invers. Oamenii ar deveni cu trecerea timpului tot mai tineri în loc să îmbătrânească şi, după o viață în care şi-ar pierde toate cunoştinţele pe care le aveau la un moment dat, ar sfârși, eventual, într-o clipă în ochii părinților lor. Aşa ne este prezentată trecerea timpul într-un roman de science-fiction scris de Philip K Dick, dar, în mod surprinzător, direcţia timpului reprezintă o problemă care îi preocupă şi pe cosmologi.

Ce este timpul? Credit: Arches National Park/Flickr, CC BY-ND

În timp ce cei mai mulţi dintre noi admitem că timpul se scurge într-o singură direcție, dinspre trecut spre viitor, fizicienii nu sunt convinşi de acest lucru: cele mai multe legi naturale sunt „reversibile” în raport cu timpul, ceea ce înseamnă că ele ar funcționa la fel de bine dacă timpul ar trece în sens invers.

Timpul a avut un început?

Orice concept universal asupra timpului trebuie să ţină cont de evoluția Universului. Când privim Universul observăm evenimentele care au avut loc în trecut, deoarece lumina a avut nevoie de timp pentru a ajunge la noi. De fapt, chiar și cea mai simplă observație ne poate ajuta să înțelegem timpul cosmologic: faptul că cerul nopții este întunecat (N.t. Paradoxul lui Olbers). Dacă Universul ar fi existat dintotdeauna şi ar fi infinit, atunci cerul nopţii ar fi complet luminos, datorită prezenţei unui număr infinit de stele într-un Cosmos care a existat dintotdeauna.

O lungă perioadă de timp, oamenii de știință, printre care şi Albert Einstein, au crezut că Universul este static și infinit. Observațiile astronomice au arătat însă că Universul se extinde într-un ritm accelerat. Acest lucru înseamnă că Universul a apărut în urma unui eveniment de tip Big Bang, ceea ce înseamnă că timpul a avut un început.

Expansiunea Universului. Credit:Design Alex Mittelmann, Coldcreation / Wikimediei, CC BY-SA

Vârsta Universului se poate determina pe baza radiaţiei cosmice de fond, o reminiscenţă a radiaţiei emise în urma evenimentului Big Bang.

Există însă o problemă. Teoria relativităţii speciale a lui Einstein arată că timpul este … relativ: cu cât vă deplasaţi mai repede în raport cu mine, cu atât mai lent va trece timpul pentru voi relativ la percepția mea asupra timpului. În Universul nostru percepţia timpului este relativă.

În consecinţă, există un timp universal asupra căruia să fim cu toţii de acord?

Deoarece Universul este, în medie, la fel peste tot şi arată, în medie, la fel în toate direcțiile, există un „timp cosmic”. Pentru a-l determina trebuie să măsurăm proprietăţile radiaţiei cosmice de fond. Cosmologii au studiat radiaţia cosmică de fond şi au ajuns la concluzia că Universul are o vârstă de 13,799 miliarde de ani.

Săgeata timpului

Ştim acum că timpul, cel mai probabil, a început în timpul Big Bang-ului. Cu toate acestea, rămâne întrebarea: ce este timpul?

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne întoarcem la proprietățile de bază ale spațiului și timpului. În spațiu puteți să vă deplasaţi înainte și înapoi. Cu toate acestea, timpul este diferit, el se scurge într-un singur sens. De ce este timpul ireversibil? Aceasta este una din problemele majore din fizică fără răspuns.

Pentru a explica de ce timpul este ireversibil, trebuie să căutăm procese din natură care sunt, de asemenea ireversibile. Aşa cum se ştie, lucrurile tind să devină tot mai puțin „ordonate” odată cu trecerea timpului. Acest proces este descris printr-o proprietate fizică numită entropie.

Imaginați-vă o cutie în care toate particulele unui gaz au fost inițial plasate într-un colț al acesteia (o stare de ordine). În timp gazul va umple întreaga cutie (o stare de dezordine), astfel încât pentru a aduce din nou particulele într-o stare de ordine trebuie să consumăm energie. Acest proces este ireversibil. Același lucru se întâmplă şi în cazul Universului: pe măsură ce acesta evoluează, entropia globală se măreşte.

Din păcate, curățenia nu se face de la sine. Credit: Alex Dinovitser/wikimedia, CC BY-SA

Se pare că entropia explică săgeata timpului. Deşi s-ar părea că Universul a devenit mai ordonat cu trecerea timpului, de la Big Bang către o stare caracterizată de prezenţa stelelor, planetelor şi a oamenilor, este totuși posibil ca entropia acestuia să fi crescut, chiar dacă noi nu o observăm. Câmpurile gravitaționale, prin gravitaţia asociată unor mase mari care aduc materia într-o stare aparent ordonată, pot masca creșterea entropiei Universului.

Dacă tendința este spre dezordine, atunci de ce Universul a început într-o stare atât de ordonată? Acest lucru reprezintă în continuare un mister. Unii cercetători susțin că Big Bang-ul nu a reprezentat începutul a tot ce există şi că pot exista „universuri paralele” în care timpul se scurge în direcții diferite.

Timpul va avea un sfârșit?

Chiar dacă timpul a avut un început, sfârşitul acestuia depinde de natura energiei întunecate care determină extinderea Universului într-un ritm accelerat. O rată a expansiunii în continuă creştere poate face ca Universul să sfârşească, în cele din urmă, într-un Big Rip sau, din contră, efectul energiei întunecate să se reducă şi astfel Universul să sfârşească într-un Big Crunch. S-ar putea şi ca Universul să se extindă, pur și simplu, pentru totdeauna.

Dar toate aceste scenarii viitoare ar putea însemna sfârșitul timpului? Ei bine, în conformitate cu mecanica cuantică, particule aleatoare apar în permanentă din vid, aşa cum se observă în experimentele din fizica particulelor. Unii cercetători au susținut că energia întunecată ar putea provoca astfel de „fluctuații cuantice” care ar da naștere unui nou Big Bang. În acest fel ar rezulta o altă linie a timpului. Această afirmaţie este însă extrem de speculativă și foarte puțin probabilă, astfel încât ceea ce știm în prezent este că numai atunci când vom înțelege energia întunecată vom cunoaște soarta Universului.

Traducere şi adaptare după What is time – and why does it move forward?