Повече от век учените разглеждат времето като фундаментално свойство на Вселената. Но колкото повече изследователите се опитват да разберат неговата същност и механизмите зад появата му, толкова повече въпроси възникват. Какво общо има гравитацията с времето? А квантовите явления? Съществуват ли мистериозни частици, които се движат по-бързо от светлината и по този начин объркват времето? Всяка от тези концепции може един ден да се окаже ключовата съставка, създала феномена, който наричаме време, или поне да има дълбока, неразривна връзка с него. Но независимо дали чрез математика или наблюдения, времето сякаш си играе със законите на физиката, раждайки повече въпроси, отколкото отговори. Ето някои от най-значимите идеи, над които учените умуват днес, когато става въпрос за тази изключително загадъчна концепция.

Стрелата на времето може да се ражда от гравитацията

Времето има стрела: то винаги изглежда се движи само в една посока. Бъдещето за нас винаги е неизвестно, докато миналото остава завинаги заключено и недостъпно. И все пак, по-голямата част от законите на физиката изобщо не се интересуват от посоката на времето. Уравненията, които управляват всичко – от субатомните частици до орбитите на планетите – не могат да направят разлика между движението напред и назад във времето.

Тогава откъде идва тази стрела на времето? Все по-голяма група физици вярват, че тя се заражда в самата сила на гравитацията. Но за да стигнем до този извод, е необходимо радикално преустройство на Общата теория на относителността на Айнщайн. Новата идея се нарича „Динамика на формата“ (Shape Dynamics) и може би точно тя е нашето бъдещо обяснение за гравитацията.

Повече от век повечето физици вярваха, че ключът към стрелата на времето се крие в понятието ентропия, което най-общо казано е мярка за безпорядъка в една система. Вторият закон на термодинамиката гласи, че в затворени системи ентропията винаги нараства. Това означава, че системите винаги преминават от подредено към неподредено състояние. Този закон не само управлява физическите системи, но и съвпада с ежедневния ни опит: много по-трудно е да почистиш една стая, отколкото да я разхвърляш.

Тази връзка обаче повдига един досаден проблем. За да може ентропията да създаде стрела на времето, нашата Вселена е трябвало да започне в изключително нискоентропийно, силно подредено състояние. Това изглежда на повечето физици като изкуствено, пришито предположение, което не се вписва в представата ни за хаотичния Голям взрив – най-добрата ни теория за това как е започнала Вселената.

През 2014 г. физикът д-р Джулиан Барбър и неговите колеги предложиха интригуващо решение на този парадокс: гравитацията. Но не гравитацията, която познаваме от Общата теория на относителността (където пространството и времето се огъват под влиянието на материята и енергията). Вместо това той пренаписа известните уравнения на Айнщайн на друг език, наречен Динамика на формата. Тази теория се фокусира върху връзките между обектите, а не върху пространствено-времевия континуум (единната тъкан на пространството и времето), в който те се намират.

Използвайки тази рамка, Барбър открива, че ако вземете произволна група от частици и ги оставите да си взаимодействат чрез взаимната си гравитация, стрелата на времето се появява по съвсем естествен път. В своята популярна научна книга „Точката на Янус“ (The Janus Point) Барбър доразвива тази идея, като предполага, че Големият взрив всъщност е точка, от която времето започва да тече в две различни посоки едновременно, създавайки две огледални вселени.

Докато частиците си взаимодействат, те изграждат по-сложни структури с нарастваща ентропия, но чак след като преминат през период на нискоентропийна, силно подредена организация. По време на експеримента всичко това изглежда се случва от само себе си. Въпреки че гравитацията не се интересува от хода на времето, една посока (стрела) се ражда органично чрез гравитационната динамика на частиците.

Моделът на Барбър обаче беше силно опростен. Той си представяше, че Вселената не е нищо повече от съвкупност от частици, които взаимодействат само чрез една-единствена сила – гравитацията. Реалната Вселена е много по-богата, с много различни видове частици, взаимодействащи чрез четирите фундаментални сили в природата, които познаваме днес. Затова към идея като тази на Барбър трябва да се подхожда със скептично любопитство, като се подлага на проверки от всички страни, за да се види дали ще издържи на критика.

Досега никой не е успял да използва Динамиката на формата, за да изгради напълно реалистична картина на еволюцията на Вселената със същата детайлност, с която разбираме космоса чрез Общата теория на относителността. Въпреки че теорията е на няколко десетилетия, сравнително малко изследователи по света работят по нея, така че не трябва да очакваме огромни пробиви веднага. Все пак това е завладяваща идея: ние усещаме хода на времето, защото той е естествен резултат от основните закони на физиката. И това прави Динамиката на формата концепция, която си заслужава да бъде проучвана и занапред.

Времето може да тече в обратна посока

Физиците все още се питат защо – или може би дали – стрелата на времето работи само в една посока. В класическата физика уравненията работят без оглед на посоката на времето, независимо дали то се движи към бъдещето или към миналото. Един от начините да разберем това математическо пренебрежение към посоката е да погледнем видеоклип на люлеещо се махало. Независимо дали видеото се върти напред или назад, движението на махалото остава същото и посоката на времето е неразличима. И все пак, времето, което преживяваме, ясно се движи в една посока. Затова изследователите продължават да търсят причината, поради която времето се държи асиметрично.

В продължение на повече от две години екип от физици в Англия проучваше този въпрос теоретично, опитвайки се да изведе математически стрелата на времето в отворени квантови системи. В научен труд, публикуван в списанието Scientific Reports, те представят резултати, които показват, че в тези системи съществуват две стрели на времето, движещи се в противоположни посоки. Това откритие може да накара учените да преосмислят как стрелата на времето влияе върху термодинамиката, квантовата механика и дори върху създаването на Вселената.

В модела на екипа отворените квантови системи са за предпочитане, тъй като те позволяват промени във времето – като например разсейване на енергия в околната среда, известно още като ентропия. Изследването на тези системи е тясно свързано с явлението квантова декохеренция, при което квантовата система губи своите необичайни свойства поради взаимодействие с околния свят. Това е важно за модела на изследователите, защото служи като показател за изтичането на времето; когато видите как енергията се разсейва от една система в нейната среда, можете да заключите в каква посока тече времето. Това разсейване е и необратимо: ако разлеете чаша, пълна с мляко, млякото не може да се върне обратно в чашата.

Екипът е очаквал да види само една стрела на времето в своето уравнение, споделя ученият Роко. Но при отворената квантова система те са получили „леко модифицирани уравнения“, които разкриват спонтанната поява на две стрели на времето.

Определящото е, че Роко и неговият екип откриват, че ентропията, описана във втория закон на термодинамиката, е запазена в техния модел. В двете посоки на тези две стрели на времето системите все още се устремяват към безпорядък, докато енергията се разсейва в околната среда. Стрелата не може да обърне посоката си, след като веднъж е задвижена, за да върне млякото в прословутата чаша. По-скоро ентропията напредва, независимо дали стрелата на времето се изстрелва към миналото или към бъдещето.

Тази двойна ентропия показва симетричната природа на времето в отворените квантови системи. От даден момент нататък стрелата на времето би могла да се изстреля в противоположната посока. „Физиката всъщност ни казва, че обратната посока би била еднакво възможна“, казва Роко.

Това означава, че резултатите на екипа могат да поставят под въпрос начина, по… който мислим за стрелата на времето в термодинамиката, космологията и квантовата механика. Например Роко споменава, че някои хора спекулират дали по време на Големия взрив не са се появили две вселени, пътуващи в противоположни посоки във времето. Резултатът на неговия екип със сигурност не потвърждава тази спекулация, но теоретичната рамка, която са разработили, би могла да ни помогне да преоценим предположенията си за функцията на времето във Вселената.

Времето може да има 3 измерения

Специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн е набор от правила, които ни помагат да разберем Вселената. Тази теория ни казва, че времето и пространството са свързани заедно в четириизмерна тъкан, наречена пространство-време, с три измерения на пространството и едно на времето. Времето е специално, защото можем да се движим само в посока към нашето бъдеще, за разлика от пространствените измерения, където сме свободни да се движим накъдето поискаме. Освен това специалната теория на относителността ни казва, че движението в пространството-времето е ограничено и не може да бъде по-бързо от скоростта на светлината – над 300 000 километра в секунда.

Но каква би била Вселената, ако можехте да пътувате по-бързо от светлината? Физиката на специалната теория на относителността казва, че е невъзможно да се движите със скорост под тази на светлината и да се ускорите, за да я достигнете, камо ли да я преминете. Но правилата на теорията позволяват и обратната ситуация – обекти, които в самото си начало вече се движат по-бързо от светлината, но тогава те никога не могат да се забавят под тази граница.

Когато изследователи от университетите във Варшава и Оксфорд, водени от известните физици Анджей Драган и Артур Екерт, задават този въпрос в своя научен труд, отговорът се оказва изумителен. За наблюдатели, които вече пътуват по-бързо от светлината, връзката между времето и пространството се преобръща. Вместо три пространствени измерения и едно времево измерение, свръхсветлинните наблюдатели виждат три измерения на времето и само едно измерение на пространството. Това означава, че частиците следват повече от една траектория едновременно. На практика те пътуват в повече от едно бъдеще едновременно.

Това съвпада с много странните правила на квантовата механика, които гласят, че частиците (които са по-малки от атомите) могат да се появяват на няколко места едновременно. Трябва да гледаме на частиците като на вълни от вероятности, които се плискат наоколо. Там, където вълните достигат своя връх, имаме голям шанс да открием частицата следващия път, когато я потърсим. А там, където вълните са в своя минимум, е малко вероятно да я видим.

Така че, от нашата нормална перспектива (където се движим по-бавно от скоростта на светлината), изглежда, че тези по-бързи от светлината обекти се държат като вълни. Помислете за това. Ако хвърлите бейзболна топка, тя следва само една траектория. Но ако топката падне в близкото езеро, водните вълни се разпространяват в много посоки едновременно.

Всъщност концепцията за отделна частица в тази перспектива напълно се разпада. Вместо това може да се говори само за полета – вълни, които съществуват в цялото пространство и време. Изследователите отбелязват, че много теории във физиката, особено идеите, свързани с фундаменталните процеси в изключително ранната Вселена, вече използват полета, които имат свойства, надвишаващи скоростта на светлината.

Дали отделните частици – известни като тахиони – могат да пътуват по-бързо от светлината, остава открит въпрос. Това е така, защото съществуването на такива частици сериозно би объркало основни концепции във Вселената, като причинно-следствената връзка и прогресията от миналото към бъдещето, с които сме свикнали. Но квантовата механика вече разтяга тези понятия, така че е напълно възможно Вселената да работи по тези нелогични правила. Може би просто трябва да открием връзката.

Може би времето дори не съществува

Ежедневието ни се крепи на идеята, че времето е реално, като всяка секунда изтича неконтролируемо. Трафикът в час пик, обедните почивки, времето за вечеря – всичко е фиксирано около определен 24-часов график. Но какво, ако всичко това е просто илюзия и времето всъщност не съществува?

Като за начало – независимо дали времето е реално или не – ние никога не го измерваме директно. Вместо това използваме друга физическа система, наречена часовник, чиито позиции всъщност ни показват различните моменти. Тъй като времето в крайна сметка е измерване на промените в други системи, а не отделна същност сама по себе си, можем да го премахнем от всички фундаментални уравнения за промяна във физиката.

Тази идея се вижда ясно в известното уравнение на Уийлър-ДеВит от квантовата космология, което се записва във физиката по следния прост начин:

H * psi = 0

В това уравнение изцяло липсва променлива за времето. То ни показва една статична и вечна Вселена, където на фундаментално ниво нищо не се променя.

Същият „трик“ се прилага и в квантовата механика. Квантовата физика – или изучаването на материята и енергията на най-фино ниво – е свързана изцяло със състоянията на физическите системи и как те се променят във времето (динамика). За да елиминираме времето, трябва да обвържем състоянието на системата със съответните позиции на часовника.

Всъщност този вид обвързване в квантовата механика се нарича заплитане (entanglement) и според него, щом погледнем състоянието на часовника, ние веднага научаваме състоянието на системата. Този подход е известен в научния свят като механизъм на Пейдж-Вутърс, предложен за първи път през 80-те години на миналия век.

Този модел има за цел да опише как динамиката произтича от заплетеното състояние между системата и часовника, което само по себе си (заплетеното състояние) остава непроменено във времето. Това е точно като таблица с позициите на състезателен автомобил и стрелката на хронометъра, тъй като тази таблица също не се „променя във времето“.

Динамиката, която се появява на ниво система, се описва от познатото уравнение на Шрьодингер (същият онзи Шрьодингер с известната котка, който предполага, че според квантовата механика едновременно трябва да могат да съществуват както мъртва, така и жива версия на котката). Това уравнение се счита за най-фундаменталния закон за динамиката във физиката.

Магическото свойство на тази квантова безвремевост е, че различните моменти от време сега се превръщат в различни вселени! Времето се ражда от заплитането по същия начин, по който мъртвата и живата котка се появяват чрез заплитане с разпадащия се атом и отровата в експеримента на Шрьодингер. Това е завладяващо, защото свойството да бъдеш в друга вселена (например да видиш жива котка вместо мъртва) сега става равносилно на това да съществуваш в друго време (което, между другото, правим редовно, просто като поизчакаме малко).

Какви са основните последици от този необикновен факт? На първо място, той предполага, че миналото и бъдещето съществуват „по едно и също време“ с настоящето. Всъщност няма нищо специално в момента, който наричаме „сега“, тъй като всеки миг е момент „сега“. По същия начин времето не тече; реката на времето не ни носи от настоящето към бъдещето.

Още по-интересно е, че навлизането в друго време просто означава, че вашето съзнателно възприятие сега е обвързано с новото състояние на Вселената. Това означава, че моментът „сега“ може на случаен принцип да прескача между различните светове в квантово заплетеното състояние на Вселената, а ние все пак бихме възприемали същата видима динамика на Шрьодингер, както обикновено.

В този смисъл Свети Августин – християнски теолог и философ от четвърти век – е бил прав да каже, че миналото съществува в нашите спомени, а бъдещето – в нашите очаквания. Следователно пътуването във времето е напълно съвместимо с концепцията за безвремието, въпреки че може да бъде скучно. Ако трябваше да скочим в минало време, нашите спомени в това състояние биха съответствали само на „по-ранни времена“. Ние просто нямаше да помним (и нямаше да има никакъв друг запис за това никъде другаде), че сме дошли от бъдещето. По същия начин, ако пътувахме от миналото директно в бъдещето, нашето бъдещо състояние щеше да включва всички спомени от междинните периоди, така че никога нямаше да можем да разберем, че сме дошли директно от далечното минало.