[Co je čas?]
Nejranější způsob měření času spočíval v pozorování cyklů v přírodě a využíval pravidelností při střídání dne a noci a ročních období k sestavení kalendářů. Nakonec se objevilo přesnější sledování času, například na slunečních a mechanických hodinách, a čas umístilo do praktičtějších krabiček. Ale co přesně vlastně měříme? Je čas něco, co fyzicky existuje, nebo existuje jen v naší hlavě? Zpočátku se odpověď zdá zřejmá ‒ čas samozřejmě existuje; neustále se odvíjí všude kolem nás a je těžké si bez něj představit vesmír.
The earliest time measurements were observations of cycles of the natural world, using patterns of changes from day to night and season to season to build calendars. More precise time-keeping, like sundials and mechanical clocks, eventually came along to put time in more convenient boxes. But what exactly is it that we’re measuring? Is time something that physically exists, or is it just in our heads? At first the answer seems obvious— of course time exists; it constantly unfolds all around us, and it’s hard to imagine the universe without it.
Ale naše chápání času se začalo komplikovat kvůli Einsteinovi. Jeho teorie relativity nám říká, že čas běží každému, ale lidem v různých situacích ne vždy stejně rychle, například těm, kteří se pohybují téměř rychlostí světla nebo obíhají kolem supermasivní černé díry. Einstein vyřešil tvárnost času tím, že ho spojil s prostorem, aby definoval časoprostor, který se může ohýbat, ale chová se konzistentně a předvídatelně.
But our understanding of time started getting complicated thanks to Einstein. His theory of relativity tells us that time passes for everyone, but doesn’t always pass at the same rate for people in different situations, like those travelling close to the speed of light or orbiting a supermassive black hole. Einstein resolved the malleability of time by combining it with space to define space-time, which can bend, but behaves in consistent, predictable ways.
Zdálo se, že Einsteinova teorie potvrzuje, že čas je vetkán do samotné struktury vesmíru. Ale je tu jedna důležitá otázka, kterou úplně nevyřešila: proč se můžeme pohybovat vesmírem jakýmkoliv směrem, ale v čase jen směrem jedním? Ať uděláme cokoli, minulost vždy tvrdohlavě zůstává za námi. Tomu se říká šipka času.
Einstein’s theory seemed to confirm that time is woven into the very fabric of the universe. But there’s a big question it didn’t fully resolve: why is it we can move through space in any direction, but through time in only one? No matter what we do, the past is always, stubbornly, behind us. This is called the arrow of time.
Když spadne kapka potravinářského barviva do sklenice s vodou, instinktivně víme, že se barva ve vodě bude šířit, až nakonec celou sklenici zaplní. Představte si, že sledujete opak. Tady bychom sledovali, jak se čas odvíjí pozpátku. Žijeme ve vesmíru, kde se potravinářské barvivo ve vodě rozšíří, ne ve vesmíru, kde se sloučí dohromady.
When a drop of food coloring is dropped into a glass of water, we instinctively know that the coloring will drift out from the drop, eventually filling the glass. Imagine watching the opposite happen. Here, we’d recognize time as unfolding backwards. We live in a universe where the food coloring spreads out in the water, not a universe where it collects together.
Ve fyzice to popisuje druhý termodynamický zákon, který říká, že systémy v průběhu času přechází do neuspořádaného stavu, že roste entropie. Systémy v našem vesmíru se mění směrem k neuspořádanosti a to je ona vlastnost vesmíru, která určuje směr šipky času.
In physics, this is described by the Second Law of Thermodynamics, which says that systems will gain disorder, or entropy, over time. Systems in our universe move from order to disorder, and it is that property of the universe that defines the direction of time’s arrow.
Takže pokud je čas tak podstatnou vlastností, měl by se objevit v našich principiálních rovnicích, které popisují vesmír, že? Teď máme dvě sady rovnic, které ve fyzice platí. Obecná relativita popisuje chování velmi velkých objektů, zatímco kvantová fyzika vysvětluje věci velmi malé. Jedním z největších cílů teoretické fyziky v posledním půlstoletí bylo sjednotit tyto dvě do jedné základní „teorie všeho“. Došlo už k mnoha pokusům ‒ žádná z teorií ale nebyla potvrzena ‒ a s časem zacházejí různě. Kupodivu jedna z kandidátek, nazývaná Wheeler-DeWittova rovnice, s časem vůbec nepočítá.
So if time is such a fundamental property, it should be in our most fundamental equations describing the universe, right? We currently have two sets of equations that govern physics. General relativity describes the behavior of very large things, while quantum physics explains the very small. One of the biggest goals in theoretical physics over the last half century has been reconciling the two into one fundamental “theory of everything." There have been many attempts —none yet proven— and they treat time in different ways. Oddly enough, one contender called the Wheeler-DeWitt equation, doesn’t include time at all.
Jako všechny současné teorie všeho je i tato rovnice spekulativní. Ale když se nad tím zamyslíme, pokud by se tato nebo jí podobná rovnice nezahrnující čas ukázala jako pravdivá, neznamenalo by to, že na té nejzákladnější úrovni čas neexistuje? Mohl by čas být jen nějakou iluzí vytvořenou kvůli omezením našeho způsobu vnímání vesmíru? To zatím nevíme, ale možná o tom přemýšlíme špatným způsobem. Místo otázky, zda čas existuje jako základní vlastnost, bychom se možná měli ptát, jestli neexistuje jako emergentní.
Like all current theories of everything, that equation is speculative. But as a thought experiment, if it or a similarly time-starved equation turned out to be true, would that mean that time doesn’t exist, at the most fundamental level? Could time just be some sort of illusion generated by the limitations of the way we perceive the universe? We don’t yet know, but maybe that’s the wrong way of thinking about it. Instead of asking if time exists as a fundamental property, maybe it could exist as an emergent one.
Emergentní vlastnosti jsou vlastnosti, které neexistují v jednotlivých částech systému, ale existují pro systém jako celek. Jednotlivé molekuly vody neznají příliv a odliv, ale oceán jako celek ano.
Emergent properties are things that don’t exist in individual pieces of a system, but do exist for the system as a whole. Each individual water molecule doesn’t have a tide, but the whole ocean does.
Filmový pás vytváří změnu v čase pomocí série statických snímků, které se nám jeví, jako by na sebe plynule navazovaly. Pokud se snímky střídají dostatečně rychle, náš mozek ze sekvence statických obrázků vnímá plynutí času. Jednotlivé snímky filmu se nemění, ani neobsahují plynutí času, ale je to vlastnost toho, jak byly jednotlivé části pospojovány. Pohyb je skutečný, ale zároveň je to také iluze. Nemohla by být fyzika času podobnou iluzí?
A movie creates change through time by using a series of still images that appear to have a fluid, continuous change between them. Flipping through the images fast enough, our brains perceive the passage of time from the sequence of still images. No individual frame of the movie changes or contains the passage of time, but it’s a property that comes out of how the pieces are strung together. The movement is real, yet also an illusion. Could the physics of time somehow be a similar illusion?
Fyzici stále zkoumají tyto a další otázky, takže k úplnému vysvětlení je ještě daleko.
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
Alespoň prozatím.
At least for the moment.