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.
Najstarszymi pomiarami czasu były obserwacje cyklów natury, gdzie w oparciu o cykle dobowe i zmiany pór roku budowano kalendarze. Dokładniejsze pomiary czasowe, jak zegar słoneczny czy mechaniczny, pozwoliły ująć czas w wygodniejsze ramy. Ale co tak naprawdę mierzymy? Czy czas fizycznie istnieje, czy jest tylko w naszych głowach? Z początku wydaje się to oczywiste, rzecz jasna, czas istnieje, bezustannie nas otacza i trudno wyobrazić sobie bez niego wszechświat.
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.
Nasze rozumienie czasu skomplikowało się dzięki Einsteinowi. Jego teoria względności mówi, że czas mija dla każdego, choć nie zawsze w tym samym tempie dla osób w różnych sytuacjach, jak tych, którzy podróżują z prędkością światła, czy orbitują wokół masywnej czarnej dziury. Einstein rozwiązał plastyczność czasu, wiążąc go z przestrzenią, definiując czasoprzestrzeń,
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.
która może się wyginać, lecz działa w sposób przewidywalny. Teoria Einsteina potwierdzała, że czas wpleciony jest w strukturę wszechświata. Nie rozwiązała jednak olbrzymiego zagadnienia: dlaczego możemy poruszać się w kosmosie w dowolnym kierunku, lecz w czasie tylko w jednym? Żeby nie wiem co, przeszłość jest zawsze uparcie za nami.
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.
Nazywamy to strzałką czasu. Na widok kropli barwnika spożywczego wpuszczonej do szklanki z wodą, instynktownie wiemy, że barwnik rozejdzie się i w końcu wypełni szklankę. Teraz to odwróćmy. Poznalibyśmy, że czas płynie do tyłu. W naszym wszechświecie barwnik spożywczy rozprasza się w wodzie, zamiast się skupiać w całość.
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.
Fizyka opisuje to w drugiej zasadzie termodynamiki, mówiącej, że systemy przejdą w stan nieporządku lub entropii, w miarę upływu czasu. Systemy w naszym wszechświecie przechodzą z porządku w nieporządek. To właśnie ta właściwość definiuje kierunek strzałki czasu.
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.
Jeżeli czas jest tak istotną właściwością, powinien znajdować się w najważniejszych równaniach opisujących wszechświat, prawda? Obecnie są dwie grupy równań rządzących fizyką. Względność ogólna opisuje zachowanie rzeczy wielkich, podczas gdy fizyka kwantowa zajmuje się maleńkimi. Jednym z najważniejszych celów fizyki teoretycznej ostatniego półwiecza jest połączenie tych dwóch w jedną "teorię wszystkiego". Dokonano wielu prób - jak dotąd bez potwierdzenia - traktujących czas na różne sposoby. Co ciekawe, jedna z nich, zwana równaniem Wheelera-DeWitta, wcale nie zawiera czasu.
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.
Tak jak wszystkie współczesne teorie wszystkiego, równanie to jest spekulatywne. Gdyby jednak o tym pomyśleć, gdyby to, lub podobne równanie, nie zawierające czasu okazało się prawdziwe, czy oznaczałoby to, że czas w gruncie rzeczy nie istnieje? Czy jest on pewną iluzją stworzoną przez ograniczenia sposobu, w jaki postrzegamy rzeczywistość? Nie wiadomo, choć może jest to niewłaściwe podejścia. Być może czas nie jest właściwością fundamentalną tylko emergentną.
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.
Właściwości emergentne to coś, co nie istnieje w poszczególnych częściach systemu, lecz istnieje dla systemu jako całości. Poszczególne molekuły wody nie mają przypływu, ale ocean tak.
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?
Film tworzy zmianę w czasie przez serię nieruchomych obrazów, które stale i płynnie się zmieniają. Rejestrując te obrazy wystarczająco szybko, mózg postrzega upływ czasu w sekwencji nieruchomych obrazów. Indywidualne kadry filmu nie zmieniają się ani nie zawierają upływu czasu. Jest to właściwość pochodząca ze sposobu, w jaki części na siebie nachodzą. Ten ruch jest prawdziwy, lecz jest też iluzją. Czy fizyka czasu może być podobną iluzją? Fizycy wciąż zgłębiają te i inne pytania,
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
więc daleko nam od pełnego wyjaśnienia. Przynajmniej na razie.
At least for the moment.