Mokslo ir technologijų pasaulis

Fizikams laikas kelia rimtų problemų, kurių kol kas niekas nesugebėjo įveikti.

Ar tai būtų Izaoko Niutono visuotinė trauka, ar Jameso Clerko Maxwello elektrodinamika, ar Alberto Einsteino specialioji ir bendroji reliatyvumo teorijos, ar kvantinė mechanika, visos formulės, geriausiai apibūdinančios mūsų Visatą, veikia tobulai, jei laikas eina pirmyn arba atgal, rašo businessinsider.com.

Žinoma, mūsų patiriamas pasaulis yra visiškai kitoks. Visata plečiasi, o ne traukiasi. Žvaigždės spinduliuoja šviesą, o ne ją absorbuoja, o radioaktyvūs atomai veikiau irsta, o ne vėl susirenka. Omletai nevirsta atgal į žalius kiaušinius, o cigaretės neatsikuria iš dūmų ir pelenų. Mes prisimename praeitį, o ne ateitį, mes senstame ir pamažu silpstame, o ne jaunėjame ir atgimstame. Mums laikas turi aiškią ir nesugrąžinamą kryptį. Jis skrieja pirmyn kaip raketa, nepaisydamas prakeiktų formulių.

Daugiau kaip šimtmetį standartinė „laiko strėlė“, kaip ją 1927 metais pirmą kartą pavadino astrofizikas Arthuras Eddingtonas, buvo aiškinama tuo, kad tai yra iš termodinamikos kylanti savybė. Ši teorija pirmą kartą buvo išdėstyta XIX amžiaus austrų fiziko Ludwigo Boltzmanno darbuose. Pagal šį požiūrį, tai, ką mes suvokiame kaip laiko strėlę, tėra nenumaldomas itin tvarkingų būklių persitvarkymas į atsitiktines, bevertes konfigūracijas, universalios tendencijos visiems reiškiniams judėti abipusės pusiausvyros link rezultatas.

Kitaip tariant, šios idėjos esmė yra ta, kad „visi dalykai byra“, tačiau kalbant formaliau, tai yra antrojo termodinamikos dėsnio, kurį L. Boltzmannas padėjo suformuluoti, pasekmė. Šis dėsnis teigia, kad bet kokioje uždaroje sistemoje (kaip pati Visata) entropija, t.y. netvarka, gali tik didėti. Didėjanti entropija yra neabejotina kosminė tikrovė, nes bet kokioje sistemoje netvarkingų būklių visada yra daugiau negu tvarkingų. Panašiai yra kur kas daugiau būdų paskleisti popierius ant stalo, negu sudėti juos tvarkingai į vieną krūvą.

Termodinaminė laiko strėlė reiškia, kad mūsų stebimoji Visata prasidėjo nuo išskirtinai ypatingos tvarkos ir mažos entropijos būklės, tarsi pirmykščio kosminio kiaušinio, kuris laiko pradžioje materializavosi, kad būtų sudaužytas ir suplaktas visai amžinybei. Nuo pat L. Boltzmanno eros iki šių laikų tokiam nekaltam prasidėjimui alergiški mokslininkai narplioja šį galvosūkį.

L. Boltzmannas, tikėjęs, kad Visata pagal I. Newtono dėsnius turi būti amžina, manė, kad amžinybė gali paaiškinti laiko strėlės kilmę iš mažos entropijos būklės. Turint pakankamai laiko – nesibaigiantį laiką – viskas, kas gali įvykti, įvyks, įskaitant tai, kad gali atsirasti didžiulė, labai mažos entropijos sritis, tarsi statistinė fluktuacija nuo nesenstančios, didžiulės entropijos Visatos pusiausvyros būklės link. L. Boltzmannas mąstė, kad mes galime gyventi tokiame neįtikėtiname regione, kai laiko strėlę nustato šio regiono ilgas ir lėtas entropinis slydimas atgal į pusiausvyrą.

Šiandien kosmologams tenka spręsti sunkesnę užduotį, nes Visata, kokią mes ją pažįstame, nėra nesenstanti ir nejudanti: jie turi paaiškinti laiko strėlės atsiradimą dinamiškoje, reliatyvistinėje Visatoje, kuri gimė maždaug prieš 14 mlrd. metų per visuotinį Didįjį sprogimą. Vis dažniau tokiems paaiškinimams pasitelkiami pataisymai – atsargus ir sutartinis teorijos parametrų koregavimas pagal stebėjimo duomenis.

Daugelis šiuolaikinių mažos entropijos laiko strėlės paaiškinimų yra susiję su infliacijos teorija – idėja, kad keistas antigravitacijos protrūkis išpūtė pirmykštę Visatą iki astronomiškai didesnio dydžio ir ją išlygino. Tai atitinka labai mažos entropijos būklę, iš kurios gali susidaryti kosminės struktūros. Tačiau norint paaiškinti pačią infliaciją, reikia atlikti dar daugiau pataisymų. Viena iš problemų yra ta, kad kartą prasidėjusi, infliacija nesustabdomai tęsiasi toliau. Tokia „amžina infliacija“ gali pagimdyti begalę naujų visatų, kurių prognozės ir stebėjimai geriausiu atveju yra apgaulingi. Ar tai yra nepageidautina klaida, ar nuostabus teorijos bruožas, lieka karštų debatų objektu. Tačiau šiuo metu atrodo, kad išskirtinis infliacijos lankstumas ir aiškinamoji jėga yra tiek didžiausia jos stiprybė, tiek didžiausia silpnybė.

Dėl visų šių priežasčių kai kurių mokslininkų, bandančių paaiškinti laiko strėlės kilmę iš mažos entropijos būklės, infliacija pagrįsti paaiškinimai netenkinta. „Dabar yra daug mokslininkų, kurie natūraliais metodais mėgina parodyti, kodėl pagrįstai galime tikėtis, kad pradinė Visatos entropija buvo labai maža, - sako filosofas ir fizikas Davidas Albertas iš Kolumbijos universiteto. – Yra netgi tokių, kurie mano, kad maža entropija Visatos pradžioje tiesiog turi būti paskelbta nauju fizikos dėsniu“.

Pastaroji idėja reikštų, kad nevilties apimti kosmologai paprasčiausiai pasiduoda. Laimė, gali egzistuoti ir kitas būdas.

Juliano Barbouro iš Oksfordo universiteto, Timo Koslowskio iš Naujojo Bransviko universiteto ir Flavio Mercati iš Perimetro teorinės fizikos instituto bandomieji darbai rodo, kad galbūt laiko strėlei visai nereikia „pritemptos“, pradinės mažos entropijos būklės: ji gali būti neišvengiamas pamatinių fizikos dėsnių produktas. J. Barbouras su kolegomis tvirtina, kad visuotinė trauka, o ne termodinamika, įtempia lanką ir paleidžia laiko strėlę. Jų tyrinėjimai buvo paskelbti žurnalo „Physical Review Letters“ spalio numeryje.

Mokslininkų komanda savo išvadas padarė išanalizavusi itin paprastą mūsų Visatos modelį – kompiuterinę simuliaciją, sudarytą iš 1 tūkst. dalelių, sąveikaujančių pagal I. Newtono visuotinės traukos dėsnį. Jie analizavo dinaminį sistemos elgesį, matuodami jos „sudėtingumą“ – santykį tarp glaudžiausios sistemos dalelių poros atstumo ir labiausiai nutolusių dalelių poros atstumo. Sistemos sudėtingumas buvo pats mažiausias, kai visos dalelės susitelkdavo į tankų debesį – minimalaus dydžio ir maksimalaus vienodumo būklę, maždaug analogišką Didžiajam sprogimui. Mokslininkų tyrinėjimai parodė, kad iš esmės kiekviena dalelių konfigūracija, nepaisant jų skaičiaus ir masto, išsirutulioja į šią mažo sudėtingumo būklę. Taigi gryna traukos jėga sudaro sąlygas sistemos plėtrai ir laiko strėlės kilmei – šiuo atveju visai nereikia jokių korekcijų, pirmiausia nustatant pradinę mažos entropijos būklę.

Iš šios mažo sudėtingumo būklės dalelių sistema plečiasi į išorę abiem laikinomis kryptimis, sukurdama dvi skirtingas, simetriškas ir priešingas laiko strėles. Tuomet abiem laikinomis kryptimis trauka sutraukia daleles į didesnes, tvarkingesnes ir sudėtingesnes struktūras, primenančias galaktikų spiečius, žvaigždes ir planetų sistemas. Nuo šio taško standartinė termodinaminė laiko tėkmė gali plėtotis abiem skirtingais keliais. Kitaip tariant, toks modelis turi vieną praeitį, bet dvi ateitis. Kaip numato laiko nepaisantys fizikos dėsniai, laiko strėlė tam tikra prasme gali judėti dviem kryptimis, nors bet koks stebėtojas gali matyti ir justi tik vieną. „Traukos prigimtis yra traukti Visatą iš jos pirmykščio chaoso ir kurti struktūras, tvarką bei sudėtingumą, - sako F. Mercati. – Visi sprendimai skyla į dvi epochas, kurios amžiams tęsiasi dviem laiko kryptimis, kurias skiria ši centrinė būklė, turinti labai charakteringas savybes“.

Nors šis modelis dar nėra iki galo išplėtotas ir neįtraukia kvantinės mechanikos ar bendrojo reliatyvumo, potencialios jo implikacijos yra milžiniškos. Jeigu jis tikrai atitinka mūsų Visatą, tuomet Didžiojo sprogimo nebegalima laikyti kosmine pradžia: jis veikiau tėra belaikės ir amžinos Visatos fazė. Kalbant proziškiau, dvišakė laiko strėlė priešingose pusėse atsidūrusiems stebėtojams gali sukelti keistų nesutapimų. „Ši dviejų ateičių situacija gali atverti vieną, chaotišką praeitį abiem kryptimis. Tai reiškia, kad iš esmės gali būti dvi Visatos, po vieną bet kurioje šios centrinės būklės pusėje, - sako J. Barbouras. – Jeigu jos būtų pakankamai sudėtingos, abi pusės galėtų turėti stebėtojus, kurie suvoktų priešingomis kryptimis tekantį laiką. Bet kokios protingos būtybės galėtų apibūdinti savo laiko strėlę, kaip judančią tolyn nuo šios centrinės būklės. Jos galvotų, kad mes dabar gyvename giliausioje praeityje“.

Maža to, jeigu visuotinė trauka laiko strėlei yra esminė, tai toks paaiškinimas anksčiau ar vėliau leistų sukurti patikrinamas prognozes ir atvestų prie ne tokio specialaus paaiškinimo kaip infliacija, kuria aiškinama mūsų stebimos Visatos struktūra ir istorija.

Tai ne pirmas laiko strėlės sprendimas, numatantis dvi ateitis. 2004 metais Kalifornijos technologijų instituto kosmologas Seanas Carrollas ir jo studentė Jennifer Chen sukūrė savo pačių išsišakojimo modelį, kuriuo siekė paaiškinti laiko strėlės kilmę iš mažos entropijos būklės kosminės infliacijos ir jaunų visatų kūrimosi kontekste. Pagal savo modelį laiko strėlės atsiradimą jie siejo ne tiek su tuo, kad praeityje entropija buvo labai maža, bet veikiau su tuo, kad abiejose ateityse entropija yra labai didelė ir sustiprėjusi dėl infliacijos paskatinto jaunų visatų susidarymo.

Prabėgus dešimtmečiui, S. Carrollas tebėra įstikinęs, kad laiko strėlė atsiranda tik dėl didėjančios entropijos, o ne kitų įtakų, pavyzdžiui, traukos. „Viskas, kas įvyksta Visatoje, ir atskiria praeitį nuo ateities, galiausiai vyksta dėl to, kad entropija viena kryptimi yra mažesnė, o kita – didesnė, - sako S. Carrollas. – Ši J. Barbouro, T. Koslowskio ir F. Mercati studija yra gera, nes jie atsiraitoja savo rankoves ir atlieka savo specifinio, traukos veikiamų dalelių modelio skaičiavimus. Tačiau nemanau, kad įdomus yra pats modelis – kruopščiai yra tiriamas modelio elgesys… Manau, kad kiekvieną kartą tikrai didelėje erdvėje turint ribotą dalelių rinkinį, galima gauti tokio pobūdžio elgesį, kokį jie aprašo. Esminis klausimas, ar mūsų Visata yra būtent tokia? Tai sunkiausia dalis“. Kartu su Masačusetso technologijų instituto kosmologu Alanu Guthu, sukūrusiu infliacijos teoriją, S. Carrollas dabar tyrinėja įvairių rūšių termodinaminius atsakus į naują teoriją apie gravitacinę laiko strėlę: tai dar vienas itin paprastas dalelėmis paremtas Visatos modelis, kuris taip pat natūraliai pagimdo laiko strėlę, tačiau be traukos ar kitų papildomų jėgų. Jų teigimu, šio modelio sėkmės termodinaminė paslaptis yra prielaida, kad Visata turi neribotą erdvę entropijai.

„Jei manysime, kad Visatai neegzistuoja maksimali galima entropija, tuomet bet kokia būklė gali būti mažos entropijos būklė, - teigia A. Guthas. – Tai gali skambėti kvailai, bet manau, kad tai tikrai veikia. Taip pat manau, kad tai yra J. Barbouro ir kitų konstrukcijos paslaptis. Jeigu nėra jokių ribų entropijai didėti, tuomet galima pradėti bet kur, ir nuo šio pradžios taško bus tikimasi, kad entropija augs, nes sistema juda tyrinėti vis didesnių ir didesnių erdvės fazės regionų. Amžina infliacija yra natūralus kontekstas, kuriame kyla ši idėja, kadangi atrodo, kad maksimali entropija amžinai besiplečiančioje Visatoje yra begalinė“.

Kontroversija dėl laiko strėlės nuo XIX amžiaus L. Boltzmanno idėjų ir XX amžiaus A. Eddingtono minčių nuėjo ilgą kelią, bet, J. Barbouro teigimu, esminės diskusijos lieka tos pačios. „Tai atveria visiškai naują būdą mąstyti apie pamatines problemas, laiko strėlės prigimtį ir antrojo termodinamikos dėsnio kilmę, - sako J. Barbouras. – Tačiau iš esmės mes tik tyrinėjame naują I. Niutono visuotinės traukos aspektą, kuris anksčiau nebuvo pastebėtas. Kas žino, kas išplauks iš šių naujų darbų ir tyrinėjimų?“.

„Arthuras Eddingtonas sugalvojo „laiko strėlės“ terminą, ir ištarė garsiąją frazę, kad gamta negali perdaryti tik vienintelio dalyko: materijos ir energijos maišymosi, - teigė J. Barbouras. – Tačiau mes be jokių abejonių demonstruojame, kad trauka būtent tai ir daro. Ji ima sistemas, kurios atrodo itin netvarkingos, ir paverčia jas nuostabiai tvarkingomis. Būtent tai įvyko ir mūsų Visatoje. Mes įgyvendiname senovės graikų iš chaoso kilusios tvarkos svajonę“.