BBC Science: Timpul s-ar putea să nu existe - și începem să înțelegem de ce. Cu cât ne uităm mai atent, cu atât devine mai ciudat

Natura timpului este una dintre cele mai profunde și de lungă durată probleme din fizică - una asupra căreia nimeni nu poate ajunge la un consens. Din perspectiva noastră, timpul pare să progreseze constant înainte cu fiecare tic-tac al ceasului.

Dar cu cât ne uităm mai atent, cu atât timpul devine mai bizar - de la ecuațiile care afirmă că timpul ar trebui să curgă la fel de liber înapoi ca și înainte, până la ciudatul domeniu cuantic unde cauza și efectul se pot răsturna.

Ar putea fi oare ca timpul însuși să fie o iluzie?

Ceea ce face timpul atât de confuz este că avem trei moduri foarte diferite de a-l defini, care nu se potrivesc ușor între ele.

Prima definiție provine din ecuațiile care descriu modul în care lucrurile se schimbă în timp.

Avem multe astfel de ecuații care descriu totul, de la mișcarea mingilor de tenis până la dezintegrarea nucleelor atomice. În toate aceste ecuații, timpul este o mărime, denumită „timp de coordonate".

Timpul nu este mai mult decât o etichetă matematică la care putem atribui o valoare particulară.

A doua definiție a timpului provine din teoriile relativității ale lui Einstein, unde este o dimensiune în plus față de cele trei cu care suntem familiarizați. Este o direcție în spațiu-timpul cvadridimensional.

Imaginea noastră despre realitate devine atunci una în care toate timpurile - trecut, prezent și viitor - sunt la fel de reale și coexistă, la fel cum toate punctele din spațiu sunt la fel de reale.

Mai mult decât atât; timpul are o legătură profundă cu gravitația conform Teoriei Generale a Relativității, unde forma spațiu-timpului este influențată de gravitație.

O mare parte din efortul de la vârful fizicii teoretice în ultimele cinci decenii a fost dedicat unificării relativității generale cu lumea ciudată a mecanicii cuantice.

Cadrele matematice care încearcă să facă acest lucru sunt cunoscute sub numele de teorii ale gravitației cuantice.

Dar cum reconciliem aceste două noțiuni de timp - ideea mecanicii cuantice, în care timpul este un simplu parametru, versus ideea relativistă că timpul este o dimensiune în spațiu-timp?

Numesc aceasta „prima problemă a timpului fizic".

Timpul în gravitația cuantică

Motivul pentru care este atât de dificil să reconciliem mecanica cuantică cu relativitatea generală este că matematica lor este fundamental incompatibilă.

Nu doar atât, dar efectele cuantice guvernează în principal scări foarte mici, cum ar fi particulele subatomice, în timp ce gravitația afectează scări mult mai mari, cum ar fi planetele și galaxiile, așa că încercarea de a crea un experiment în care ambele scări sunt nu doar relevante, ci pot fi măsurate cu precizie, s-a dovedit extrem de dificilă.

Primele încercări de a unifica o descriere cuantică a realității cu spațiu-timpul 4D al Relativității Generale i-au condus pe John Wheeler și Bryce DeWitt să propună o ecuație - ecuația Wheeler-DeWitt - în 1967, în care timpul nu mai apare deloc.

Ceea ce încercau ei să descrie este starea cuantică a întregului Univers, independentă de timp. Acest lucru, sugerează mulți fizicieni, înseamnă că timpul ar putea fi doar o iluzie.

Dar ar trebui să fim atât de radicali sau disprețuitori în privința timpului? Am parcurs un drum lung de atunci, așa că cum se integrează timpul în încercările actuale de a dezvolta o teorie a gravitației cuantice?

Aici, lucrurile devin foarte neclare.

Unele abordări încă pornesc de la ceva asemănător cu timpul coordonatelor tradițional, dar apoi adaugă din nou timpul ca parte a unui spațiu-timp cu mai multe dimensiuni decât cele patru cu care suntem obișnuiți.

În alte abordări, timpul apare din concepte mai fundamentale despre Univers.

Timpul ar putea chiar să se dovedească a fi „cuantificat", ceea ce înseamnă că, dacă am face un zoom suficient de mic, am vedea atât timpul, cât și spațiul ca fiind granulați. Așadar, ajungem la cuante (atomi) de spațiu-timp.

Combinarea mecanicii cuantice cu relativitatea generală este bine și frumos, dar există un mister esențial pe care nu îl abordează: de ce timpul pare să curgă doar într-o singură direcție?

Aceasta ne aduce la a treia definiție a timpului, derivată din termodinamică, care descrie proprietățile unui număr mare de particule tratate în termeni de cantități macro precum căldura, temperatura și presiunea.

Aici, timpul nu este nici o dimensiune, nici o etichetă, ci o direcție - îndreptată de la trecut spre viitor.

Acest lucru este de obicei formulat ca fiind în direcția creșterii entropiei: Universul nostru care se desfășoară, bilele care se rostogolesc în jos, cuburile de gheață care se topesc într-un pahar cu apă și așa mai departe.

Cu toate acestea, în ciuda tuturor proceselor ireversibile pe care le vedem în jurul nostru, faptul este că, în toate ecuațiile fundamentale ale fizicii, inversarea direcției timpului nu împiedică funcționarea ecuațiilor.

Adică, timpul ar putea merge în ambele direcții și nu am putea deosebi viitorul de trecut. Cu toate acestea, vedem o diferență clară între trecut și viitor.

Aceasta este „a doua problemă a timpului fizic". Cum reconciliem faptul că ecuațiile noastre funcționează la fel de bine în orice direcție curge timpul cu ireversibilitatea timpului pe care o experimentăm în lume?

Pentru aceasta, s-ar putea să trebuiască să ne îndreptăm spre domeniul cuantic și spre fenomenele ciudate ale entanglementului.

Entalglementul cuantic

Obiectele cuantice, cum ar fi electronii sau fotonii, pot avea proprietăți care nu sunt fixe înainte de a fi măsurate, cum ar fi locația, impulsul, energia sau direcția de rotație.

Adică, ele pot exista într-o „superpoziție cuantică" având o gamă de valori simultan, cum ar fi fiind răspândite în spațiu sau rotindu-se în două direcții în același timp.

Numai atunci când alegem să observăm o proprietate, forțăm sistemul cuantic să decidă asupra uneia dintre numeroasele opțiuni ale acelei proprietăți în care coexista.

Dar dacă, înainte de măsurarea noastră, un electron interacționează cu un al doilea, atunci acest al doilea electron poate fi „infectat" de suprapunerea primului. De asemenea, se va afla într-o stare de incertitudine înainte de măsurare.

Spunem că cele două electroni sunt cuantum entanglați și trebuie să îi descriem ca o singură entitate cuantică.

Caracteristica ciudată a împletirii este că observarea doar a unuia dintre cei doi electroni forțează și al doilea să se fixeze într-una dintre opțiunile disponibile în superpoziția sa. Acest lucru se va întâmpla în același timp, indiferent cât de departe sunt.

Și nu este vorba nici măcar de încurcătura dintre două electroni care trebuie luată în considerare. Întregul Univers poate deveni - de fapt, va deveni inevitabil - încâlcit cu mediul său înconjurător.

De fapt, ar trebui să încetăm să mai gândim la entanglementul cuantic ca la un fel de fenomen bizar care apare rar în natură sau că este „înfricoșător", așa cum a spus odată Einstein.

Mai degrabă, este unul dintre cele mai, dacă nu chiar cel mai, prevalente procese din Univers. Deci, cum ne poate ajuta să demistificăm natura timpului?

În 1983, Don Page și William Wootters au sugerat pentru prima dată o legătură între timp și împletirea cuantică, salvând timpul de ecuația fără timp Wheeler-DeWitt.

Imaginați-vă că un ceas cuantic ipotetic este încâlcit cu mediul său.

În loc să ne gândim la ceas ca fiind într-o superpoziție a două locații în spațiu, putem să le combinăm într-un sistem de ceas+mediu încurcat, într-o superpoziție de stări la momente diferite.

Acum, când măsurăm ceasul citind ora, acesta forțează mediul ceasului să se fixeze în ceea ce făcea în acel moment doar.

Deci, ce-ar fi dacă am gândi starea generală a Universului, care ar putea fi fără timp, ca fiind compusă din două părți: (1) un ceas și (2) tot restul?

Pentru noi, încorporați în „totul celălalt", perceperea unui anumit moment de timp echivalează cu măsurarea ceasului în acel moment, astfel încât percepem realitatea - mediul ceasului, adică Universul - în acel moment.

Dar, privit din „exteriorul" Universului, toate timpurile coexistă și nu există „trecerea" timpului, așa cum au susținut Wheeler și DeWitt.

Cauzalitate cuantică

Dacă mecanica cuantică ne spune că un sistem poate fi într-o superpoziție de stări în două momente diferite, atunci acest lucru are o consecință și mai fascinantă atunci când luăm în considerare ordinea cauză-efect.

Adică, pentru ca ceva să se întâmple, cauza trebuie să vină înaintea efectului.

Consideră două evenimente, A și B, cum ar fi fulgerele de lumină produse de două surse în locuri diferite.

Cauză și efect înseamnă că există trei posibilități: 1) Flash A a avut loc înainte de flash B și, printr-un anumit mecanism, ar fi putut declanșa B; 2) Flash B a avut loc înainte de Flash A și ar fi putut să-l declanșeze; 3) Nici unul nu ar fi putut declanșa pe celălalt deoarece sunt prea departe unul de celălalt în spațiu și prea aproape în timp pentru ca un semnal de declanșare să fi fost trimis de la o locație la cealaltă.

Acum, Teoria Specială a Relativității a lui Einstein afirmă că toți observatorii, indiferent de viteza cu care se mișcă relativ unul față de celălalt, văd lumina călătorind cu aceeași viteză constantă.

Acest fapt ciudat, dar simplu, poate duce la observatori care văd evenimentele desfășurându-se în ordini diferite.

Pentru opțiunea (3) de mai sus, doi observatori care se mișcă unul față de celălalt aproape de viteza luminii ar putea fi în dezacord cu privire la ordinea fulgerelor.

Din fericire, nu există riscul ca un efect să apară înaintea cauzei sale (cunoscut sub numele de „încălcare a cauzalității"), deoarece evenimentele sunt prea departe unul de celălalt pentru ca unul să cauzeze pe celălalt.

Cu toate acestea, ce s-ar întâmpla dacă opțiunile (1) și (2) ar coexista într-o superpoziție cuantică? Ordinea cauzală a celor două evenimente nu ar mai fi fixă.

Ele ar exista într-o stare combinată în care Flash A se întâmplă înainte și declanșează Flash B, și în care B se întâmplă prima dată. Vedem atunci că cauza și efectul pot deveni neclare atunci când aducem împreună mecanica cuantică și relativitatea.

Devine și mai ciudat când introducem gravitația prin intermediul Teoriei Generale a Relativității.

Iată un experiment de gândire interesant. Imaginați-vă două ceasuri cuantice încâlcite, fiecare într-o superpoziție de înălțimi diferite deasupra suprafeței Pământului.

Conform teoriei relativității generale, acest lucru ar însemna că cele două ceasuri ticăie la rate ușor diferite, din cauza diferenței ușoare în câmpul gravitațional.

Suprapunerea aici este o combinație între Starea 1 în care ceasul A este mai sus decât ceasul B, și astfel ticăie puțin mai repede, și Starea 2 în care ceasurile sunt schimbate.

Până când acest stadiu combinat de entanglement este măsurat prin citirea orei de pe unul dintre ceasuri, nu este posibil să se determine ordinea oricăror evenimente înregistrate de cele două ceasuri.

Și dacă nu putem determina care evenimente sunt în viitor și care sunt în trecut, ajungem la posibilitatea ca evenimentele să acționeze înapoi în timp pentru a cauza evenimente în trecutul lor.

Dacă, la nivel cuantic, evenimentele din trecut pot fi afectate de evenimentele din viitor, atunci toate pariurile sunt anulate.

În timp ce unii fizicieni susțin că causalitatea este sacră și trebuie păstrată cu orice preț, alții au argumentat în favoarea ideii de retrocausalitate (viitorul afectând trecutul) și chiar a călătoriei în timp cuantice.

Este posibil ca, chiar dacă găsim adevărata noastră teorie a gravitației cuantice, timpul să nu fie un singur concept, ci mai degrabă un lucru complex și multifacetic.

Poate că într-adevăr își păstrează diferitele proprietăți în funcție de modul în care îl folosim: o dimensiune a spațiu-timpului, o coordonată de măsurat și o săgeată ireversibilă.

Toate acestea au sens doar în modul aproximativ, de la distanță, în care percepem subiectiv timpul. Poate că acesta este cel mai bun lucru la care putem spera.

Sau poate, doar poate, trebuie să săpăm și mai adânc în misterele timpului.