Je čas základní součástí reality?

Ilustrační obrázek
Shutterstock

Čas se jeví jako nejzákladnější prvek reality. Sekundy ubíhají, dny plynou a vše, od pohybu planet až po lidskou paměť, se zdá být v pohybu v jednom nezvratném směru. Rodíme se a umíráme, přesně v tomto pořadí. Plánujeme si život podle času, posedle ho měříme a vnímáme jako nepřetržitý tok od minulosti k budoucnosti. Zdá se tak samozřejmé, že čas plyne vpřed, že zpochybňovat to se jeví téměř zbytečné.

A přesto se fyzika již více než století snaží definovat, co čas vlastně jeČesky. Tato snaha není filozofickým šťouráním se v detailech. Je jádrem některých z nejhlubších problémů vědy.

Moderní fyzika se opírá o různé, ale stejně důležité rámce. Jedním z nich je Einsteinova obecná teorie relativityČesky, která popisuje gravitaci a pohyb velkých objektů, jako jsou planety. Dalším je kvantová mechanikaČesky, která popisuje mikrokosmos atomů a částic. A v ještě větším měřítku popisuje zrod a vývoj vesmíru jako celku standardní model kosmologieČesky. Všechny se opírají o čas, ale zacházejí s ním neslučitelným způsobem.

Když se fyzici pokoušejí spojit tyto teorie do jediného rámce, čas se často chová neočekávaným a znepokojivým způsobem. Někdy se protahuje. Někdy se zpomaluje. Někdy úplně mizí.Česky

Einsteinova teorie relativity byla ve skutečnosti prvním velkým úderem pro naši každodenní intuici o čase. Einstein ukázal, že čas není univerzální. Běží různými rychlostmi v závislosti na gravitaci a pohybu. Dva pozorovatelé pohybující se relativně vůči sobě se neshodnou na tom, které události se staly ve stejný čas. Čas se stal něčím elastickým, propleteným s prostorem do čtyřrozměrné struktury zvané časoprostor.

Kvantová mechanika věci ještě více zkomplikovala. V kvantové teorii čas není něčím, co teorie vysvětluje. Je prostě předpokládán. Rovnice kvantové mechaniky popisují, jak se systémy vyvíjejí v čase, ale čas sám zůstává vnějším parametrem, pozadím, které se nachází mimo teorii.

Tento nesoulad se stává akutním, když se fyzici pokoušejí popsat gravitaci na kvantové úrovni, což je zásadní pro vývoj tolik žádané teorie všehoČesky – která by spojila hlavní fundamentální teorie. Ale v mnoha pokusech o vytvoření takové teorie čas jako parametr z fundamentálních rovnic zcela mizí. Vesmír se jeví jako zamrzlý, popsaný rovnicemi, které neodkazují na žádnou změnu.

Tato hádanka je známá jako problém času a zůstává jednou z nejtrvalejších překážek jednotné teorie fyziky. Navzdory enormnímu pokroku v kosmologii a částicové fyzice stále nemáme jasné vysvětlení, proč čas vůbec plyne.

Nyní relativně nový přístup k fyzice, vycházející z matematického rámce zvaného informační teorie, vyvinutý Claudem ShannonemČesky v 40. letech 20. století, začíná přinášet překvapivé odpovědi.

Entropie a tok času

Když se fyzici pokoušejí vysvětlit směr času, často se obracejí k pojmu zvanému entropie. Druhý zákon termodynamiky říká, že nepořádek má tendenci se zvyšovat. Sklenice může spadnout a rozbít se na kusy, ale střepy se nikdy samovolně nespojí zpět dohromady. Tato asymetrie mezi minulostí a budoucností je často ztotožňována s tokem času.

Tato myšlenka měla obrovský vliv. Vysvětluje, proč je mnoho procesů nevratných, včetně toho, proč si pamatujeme minulost, ale ne budoucnost. Pokud vesmír začal ve stavu nízké entropie a s vývojem se stává chaotičtějším, zdá se to vysvětlovat, proč čas plyne dopředu. Entropie však problém času zcela nevyřeší.

Je těžké napravit nepořádek
Ilustrační obrázek: Shutterstock

Za prvé, základní kvantově mechanické rovnice fyziky nerozlišují mezi minulostí a budoucností. Šipka času se objevuje pouze tehdy, když uvažujeme o velkém počtu částic a statistickém chování. To také vyvolává hlubší otázku: proč vesmír vůbec vznikl v takovém stavu s nízkou entropií? Statisticky existuje více způsobů, jak může vesmír dosáhnout vysoké entropie než nízké entropie, stejně jako existuje více způsobů, jak může být místnost neuspořádaná než uspořádaná. Proč by tedy měl vzniknout ve stavu, který je tak nepravděpodobný?

Informační revoluce

V posledních několika desetiletích došlo ve fyzice k tiché, ale dalekosáhlé revoluci. Informace, kdysi považované za abstraktní účetní nástroj používaný ke sledování stavů nebo pravděpodobností, jsou stále více uznávány jako samostatná fyzikální veličina, stejně jako hmota nebo záření. Zatímco entropie měří, kolik mikroskopických stavů je možných, informace měří, jak fyzikální interakce tyto možnosti omezují a konsolidují.

Tato změna se neodehrála přes noc. Vznikla postupně, poháněna hádankami na pomezí termodynamiky, kvantové mechaniky a gravitace, kde zacházení s informacemi pouze jako s matematickým pojmem začalo odhalovat rozpory.

Jedna z prvních trhlin se objevila ve fyzice černých děr. Když Stephen Hawking ukázalČesky, že černé díry vyzařují tepelné záření, vyvstala znepokojivá možnost: informace o všem, co spadne do černé díry, by mohla být trvale ztracena v teplo. Tento závěr byl v rozporu s kvantovou mechanikou, která vyžaduje, aby všechny informace zůstaly zachovány.

Vyřešení tohoto rozporu donutilo fyziky konfrontovat se s hlubší pravdou. Informace nejsou volitelné. Pokud chceme úplný popis vesmíru, který zahrnuje kvantovou mechaniku, informace nemohou jednoduše zmizet, aniž by to podkopalo základy fyziky. Toto poznání mělo dalekosáhlé důsledky. Stalo se jasné, že informace mají termodynamickou cenu, že jejich vymazání rozptyluje energii a že jejich ukládání vyžaduje fyzické zdroje.

Současně se objevily překvapivé souvislosti mezi gravitací a termodynamikou. Ukázalo se, že Einsteinovy rovnice lze odvodit z termodynamických principů, které přímo spojují geometrii časoprostoru s entropií a informacemi. Z tohoto pohledu se gravitace nechová přesně jako základní síla.

Namísto toho se jeví jako to, co fyzici nazývají „emergentní“ – jev popisující něco, co je větší než součet jeho částí a vzniká z fundamentálnějších složek. Vezměme si například teplotu. Všichni ji můžeme cítit, ale na základní úrovni nemůže mít teplotu jedna částice. Není to základní vlastnost. Místo toho vzniká pouze jako výsledek společného pohybu mnoha molekul.

Podobně lze gravitaci popsat jako emergentní jev, který vzniká ze statistických procesů. Někteří fyzici dokonce navrhli, že gravitace sama o sobě může vzniknout z informaceČesky, což vystihuje způsob, jakým jsou informace distribuovány, kódovány a zpracovávány.

Tyto myšlenky vedou k radikální změně perspektivy. Místo toho, abychom časoprostor považovali za primární a informace za něco, co v něm existuje, mohou být informace základnější složkou, ze které časoprostor sám vzniká. Na základě tohoto výzkumu jsme s kolegy prozkoumali rámec, ve kterém časoprostor sám funguje jako úložné médium pro informace – a to má důležité důsledky pro to, jak vnímáme čas.

V tomto přístupu není časoprostor dokonale hladký, jak naznačuje teorie relativity, ale skládá se z diskrétních prvků, z nichž každý má konečnou kapacitu pro zaznamenávání kvantových informací z procházejících částic a polí. Tyto prvky nejsou bity v digitálním smyslu, ale fyzickými nosiči kvantových informací, schopnými uchovávat paměť minulých interakcí.

Užitečným způsobem, jak si je představit, je myslet na časoprostor jako na materiál složený z malých paměťových buněk. Stejně jako může krystalová mřížka uchovávat vady, které se objevily dříve, mohou tyto mikroskopické prvky časoprostoru uchovávat stopy interakcí, které jimi prošly. Nejedná se o částice v obvyklém smyslu popsaném standardním modelem částicové fyziky, ale o fundamentálnější vrstvu fyzikální struktury, na které částicová fyzika spíše funguje, než aby ji vysvětlovala.

To má důležitý důsledek. Pokud časoprostor zaznamenává informace, pak jeho současný stav odráží nejen to, co existuje nyní, ale také vše, co se stalo dříve. Oblasti, které prošly více interakcemi, nesou jinou stopu informací než oblasti, které prošly méně interakcemi. Z tohoto pohledu se vesmír nevyvíjí pouze podle nadčasových zákonů aplikovaných na měnící se stavy. On si pamatuje.

Vesmír jako záznamové médium

Tato paměť není metaforická. Každá fyzikální interakce zanechává informační stopu. Ačkoli základní rovnice kvantové mechaniky lze aplikovat v čase dopředu i dozadu, skutečné interakce se nikdy neodehrávají izolovaně. Nevyhnutelně zahrnují okolí, informace unikají ven a zanechávají trvalé záznamy o tom, co se stalo. Jakmile se tyto informace rozšíří do širšího prostředí, obnovení by vyžadovalo zrušení nejen jedné události, ale i všech fyzikálních změn, které způsobila. V praxi je to nemožné.

Proto nelze informace vymazat a rozbité šálky nelze znovu složit. Ale důsledky jsou hlubší. Každá interakce zapisuje do struktury vesmíru něco trvalého, ať už v měřítku srážky atomů nebo vzniku galaxií.

Z tohoto pohledu se ukazuje, že geometrie a informace jsou hluboce propojené. V naší práci jsme ukázali, že zakřivení časoprostoru závisí nejen na hmotě a energiiČesky, jak nás učil Einstein, ale také na tom, jak je distribuovaná kvantová informace, zejména provázanost. Provázanost je kvantový proces, který záhadným způsobem propojuje částice ve vzdálených oblastech vesmíru – umožňuje jim sdílet informace navzdory vzdálenosti. A tyto informační vazby přispívají k efektivní geometrii, kterou vykazuje hmota a záření.

Z tohoto pohledu není geometrie časoprostoru pouze reakcí na to, co existuje v daném okamžiku, ale také na to, co se již stalo. Oblasti, které zaznamenaly mnoho interakcí, se v průměru chovají, jako by se zakřivovaly silněji a měly silnější gravitaci než oblasti, které zaznamenaly méně interakcí.

Toto přeformulování roli časoprostoru lehce pozměňuje. Místo neutrální arény, ve které se odehrávají události, se časoprostor stává aktivním účastníkem. Ukládá informace, omezuje budoucí dynamiku a formuje způsob, jakým mohou vznikat nové interakce. To přirozeně vyvolává hlubší otázku. Pokud časoprostor zaznamenává informace, mohl by čas vzniknout z tohoto procesu zaznamenávání, místo aby byl předpokládán od samého začátku?

Čas vznikající z informace

Nedávno jsme tuto informační perspektivu rozšířili na samotný čas. Namísto toho, abychom čas považovali za základní parametr pozadí, ukázali jsme, že časové pořadí vzniká z nevratného vtisku informací. Z tohoto pohledu není čas něčím, co se do fyziky přidává ručně. Vzniká proto, že informace jsou zapsané ve fyzikálních procesech a podle známých zákonů termodynamiky a kvantové fyziky je nelze globálně vymazat. Myšlenka jednoduchá, ale dalekosáhlá.

Každá interakce, například srážka dvou částic, zapisuje informaci do vesmíru. Tyto otisky se hromadí. Protože je nelze vymazat, definují přirozené pořadí událostí. Dřívější stavy jsou ty, které mají méně informačních záznamů. Pozdější stavy jsou ty, které jich mají více.

Kvantové rovnice neupřednostňují směr času, proces šíření informací ano. Jakmile se informace rozšíří, neexistuje žádná fyzická cesta zpět do stavu, ve kterém byla lokalizována. Časové pořadí je proto zakotveno v této nevratnosti, nikoli v samotných rovnicích.

Čas v tomto pohledu není něco, co existuje nezávisle na fyzických procesech. Je to kumulativní záznam toho, co se stalo. Každá interakce přidává nový záznam a šipka času odráží skutečnost, že tento záznam pouze roste.

Budoucnost se liší od minulosti, protože vesmír obsahuje více informací o minulosti, než kdy může obsahovat o budoucnosti. To vysvětluje, proč má čas směr, aniž by se spoléhal na speciální počáteční podmínky s nízkou entropií nebo čistě statistické argumenty. Dokud dochází k interakcím a informace jsou nezvratně zaznamenané, čas postupuje.

Zajímavé je, že tento nahromaděný otisk informací může mít pozorovatelné důsledky. V galaktickém měřítku se zbytkový otisk informací chová jako další gravitační složka, která formuje způsob rotace galaxií, aniž by vyžadovaly nové částice. Neznámá substance zvaná temná hmota byla skutečně zavedena, aby vysvětlila, proč galaxie a galaktické shluky rotují rychleji, než by umožňovala jejich viditelná hmota.

V informační interpretaci tato dodatečná gravitační síla nepochází z neviditelné temné hmoty, ale ze skutečnosti, že samotný časoprostor zaznamenal dlouhou historii interakcí. Oblasti, které nashromáždily více informačních otisků, reagují na pohyb a zakřivení silněji, čímž účinně zvyšují svou gravitaci. Hvězdy obíhají rychleji ne proto, že je přítomna větší hmota, ale proto, že časoprostor, kterým se pohybují, nese obsáhlejší informační paměť minulých interakcí.

Galaxie rotují rychleji, než by měly.
Ilustrační obrázek: Shutterstock

Z tohoto pohledu mohou temná hmota, temná energie a směrovost času vycházet z jediného základního procesu: nevratného hromadění informací.

Testování času

Ale mohli bychom tuto teorii někdy otestovat? Myšlenky o čase jsou často obviňovány z toho, že jsou spíše filozofické než vědecké. Protože čas je tak hluboce zakořeněn v tom, jak popisujeme změnu, je snadné předpokládat, že jakýkoli pokus o jeho přehodnocení musí zůstat abstraktní. Informační interpretace však přináší konkrétní předpovědi a přímo souvisí se systémy, které můžeme pozorovat, modelovat a v některých případech i experimentálně zkoumat.

Černé díry poskytují přirozené testovací prostředí, protože se zdá, že informace jsou v nich vymazány. V informačním rámci je tento rozpor vyřešen uznáním, že informace nejsou zničeny, ale otisknuty do časoprostoru před překročením horizontu. Černá díra je zaznamenává.

To má důležitý dopad na čas. Jak hmota padá směrem do černé díry, interakce se zintenzivňují a zápis informací se zrychluje. Čas lokálně pokračuje, protože informace se i nadále zapisují, i když klasické pojmy prostoru a času se v blízkosti horizontu rozpadají a vzdáleným pozorovatelům se zdá, že se zpomalují nebo zastavují.

Když černá díra mizí prostřednictvím Hawkingova záření, nemizí nahromaděné informační záznamy. Místo toho ovlivňují způsob, jakým je záření emitováno. Mělo by nést subtilní známky odrážející historii černé díry. Jinými slovy, odcházející záření není zcela náhodné. Jeho struktura je formována informacemi, které byly v časoprostoru zaznamenány dříve. Detekce takových známek zůstává mimo dosah současné technologie, ale poskytují jasný cíl pro budoucí teoretickou a pozorovací práci.

Stejné principy lze zkoumat v mnohem menších, kontrolovaných systémech. V laboratorních experimentech s kvantovými počítači lze qubity (kvantový ekvivalent bitů) považovat za informační buňky s konečnou kapacitou, stejně jako ty v časoprostoru. Vědci prokázali, že i když jsou základní kvantové rovnice reverzibilní, způsob, jakým jsou informace zapisovány, šířeny a získávány, může v laboratoři generovat efektivní časovou šipkuČesky. Tyto experimenty umožňují fyzikům testovat, jak limity ukládání informací ovlivňují reverzibilitu, aniž by potřebovali kosmologické nebo astrofyzikální systémy.

Rozšíření stejného rámce naznačuje, že informační otisk není omezen na gravitaci. Může hrát roli ve všech základních silách přírody, včetně elektromagnetismu a jaderných sil. Pokud je to správně, bylo by možné sledovat časovou šipku až k tomu, jak informace zaznamenávají všechny interakce, nejen gravitační. Testování tohoto předpokladu by zahrnovalo hledání limitů reverzibility nebo obnovy informace v různých fyzikálních procesech.

Všechny tyto příklady dohromady ukazují, že informační čas není abstraktní reinterpretací. Propojuje černé díry, kvantové experimenty a základní interakce prostřednictvím společného fyzikálního mechanismu, který lze zkoumat, vymezovat a potenciálně vyvrátit, jak se náš experimentální dosah stále rozšiřuje.

Co je čas skutečně

Myšlenky o informacích relativitu nebo kvantovou mechaniku nenahrazují. V běžných podmínkách se informační čas velmi podobá času měřenému hodinami. Pro většinu praktických účelů funguje známý obraz času velmi dobře. Rozdíl se objevuje v režimech, kde konvenční popisy selhávají.

V blízkosti horizontů černých děr nebo během nejranějších okamžiků vesmíru se obvyklá představa o čase jako plynulé vnější souřadnici stává nejednoznačnou. Informační čas naopak zůstává dobře definován, dokud dochází k interakcím a informace jsou nevratně zaznamenávány.

To vše vás může přivést k otázce, co vlastně čas je. Tato změna mění rámec dlouholeté debaty. Otázkou již není, zda je třeba ho považovat za základní složku vesmíru, ale zda odráží hlubší základní proces.

Z tohoto pohledu může šipka času přirozeně vycházet z fyzikálních interakcí, které informaci zaznamenávají a nelze je zvrátit. Čas tedy není tajemný parametr v pozadí, který stojí mimo fyziku. Je to něco, co vesmír generuje vnitřně prostřednictvím své vlastní dynamiky. Není v konečném důsledku základní součástí reality, ale vychází z více základních složek, jako jsou informace.

Zda se tento rámec ukáže jako konečná odpověď nebo jako odrazový můstek, teprve uvidíme. Stejně jako mnoho jiných myšlenek v základech fyziky, i tato obstojí nebo padne na základě toho, jak dobře propojí teorii s pozorováním. Již nyní však naznačuje výraznou změnu v perspektivě.

Vesmír jednoduše neexistuje v čase. Čas je něco, co do sebe vesmír neustále zapisuje.