Săgeata timpului și-a început călătoria la Big Bang, iar atunci când universul va muri, nu va mai exista nici viitor, nici trecut. Între timp, ce anume determină timpul să meargă mai departe?

Când Isaac Newton și-a publicat faimoasele Principia în 1687, cele trei legi elegante ale mișcării au rezolvat o mulțime de probleme. Fără ele, nu am fi putut ateriza oameni pe Lună 282 de ani mai târziu. Dar aceste legi au adus în fizică o nouă problemă, care nu a fost apreciată pe deplin decât la secole după Newton și care încă îi mai frământă și astăzi pe cosmologi.

Problema constă în faptul că legile lui Newton funcționează de două ori mai bine decât ne-am aștepta. Ele descriu lumea în care ne mișcăm în fiecare zi – lumea oamenilor, mâinile care se mișcă în jurul unui ceas și chiar căderea apocrifă a anumitor mere – dar ele explică perfect și o lume în care oamenii merg înapoi, ceasurile se mișcă de după-amiază spre dimineață, iar fructele se înalță de la pământ până la ramura lor.

„Caracteristica interesantă a legilor lui Newton, care nu a fost apreciată decât mult mai târziu, este că nu fac distincție între trecut și viitor”, a declarat, pentru bbc.com, fizicianul teoretician și filosoful Sean Carroll, care discută despre natura timpului în cea mai recentă carte a sa, „Cele mai mari idei din Univers”. „Dar direcționalitatea timpului este cea mai evidentă caracteristică a sa, nu-i așa? Am fotografii ale trecutului, dar nu am fotografii ale viitorului.”

Problema nu se limitează la teoriile vechi de secole ale lui Newton. Practic, toate teoriile fundamentale ale fizicii de atunci au funcționat la fel de bine mergând înainte în timp ca și înapoi, a declarat și fizicianul Carlo Rovelli, de la Centrul de Fizică Teoretică din Marsilia, Franța, și autorul unor cărți precum The Order of Time.

„Începând cu Newton, apoi cu teoria electromagnetismului a lui Maxwell, apoi cu lucrările lui Einstein, apoi cu mecanica cuantică, teoria cuantică a câmpurilor, relativitatea generală și chiar gravitația cuantică – nu există nicio distincție între trecut și viitor”, a spus Rovelli: „Ceea ce a fost o surpriză, deoarece distincția este atât de evidentă pentru noi toți. Dacă faci un film, este evident care este drumul spre viitor și care este trecutul.”

De ce trece timpul?

Cum se desprinde o direcție clară a timpului din aceste descrieri ale Universului, care nu au toate propria lor săgeată a timpului? După cum spune Marina Cortês, astrofizician la Universitatea din Lisabona: „Există o mulțime de implicații care încep cu luarea în serios a întrebării: „De ce trece timpul?”.”

O parte a răspunsului se află în Big Bang-ul de acum aproape 14 miliarde de ani. O altă perspectivă vine din extrema opusă, în eventuala moarte a Universului.

Dar, înainte de a porni în această călătorie epică înainte și înapoi de-a lungul cronologiei Universului, merită să ne oprim în 1865, chiar în momentul în care prima lege a fizicii cu adevărat direcționată în timp a ajuns pe șinele Revoluției Industriale.

Strângerea aburului

În secolul al XIX-lea, când cărbunele era băgat cu lopata în cuptoare pentru a genera energie cu aburi, oamenii de știință și inginerii care sperau să dezvolte motoare mai bune au îmbrățișat un set de principii care descriau relația dintre căldură, energie și mișcare. Acestea au devenit cunoscute sub numele de legile termodinamicii.

În Germania, în 1865, fizicianul Rudolf Clausius a afirmat că căldura nu poate trece de la un corp rece la unul cald, dacă nimic altceva nu se schimbă în jurul lor. Clausius a inventat conceptul pe care l-a numit „entropie” pentru a măsura acest comportament al căldurii – un alt mod de a spune că căldura nu trece niciodată de la un corp rece la unul cald este de a spune că „entropia crește întotdeauna, nu scade niciodată” (a se vedea caseta „Entropia și creșterea dezordinii”).

După cum subliniază Rovelli în The Order of Time, aceasta este singura lege fundamentală a fizicii care poate distinge trecutul de viitor. O minge poate să se rostogolească pe un deal sau să fie lovită cu piciorul până în vârf, dar căldura nu poate trece de la rece la cald.

Pentru a exemplifica, Rovelli își ia stiloul și îl lasă să cadă dintr-o mână în cealaltă: „Motivul pentru care acesta se oprește în mâna mea este că are o anumită energie, iar apoi energia se transformă în căldură și îmi încălzește mâna. Iar frecarea oprește ricoșeul. Altfel, dacă nu ar exista căldură, aceasta ar sări la nesfârșit, iar eu nu aș putea distinge trecutul de viitor.”

Până aici, totul este simplu. Asta până când începi să te gândești la ce este căldura la nivel molecular. Diferența dintre lucrurile fierbinți și cele reci constă în cât de agitate sunt moleculele lor – într-un motor cu aburi fierbinte, moleculele de apă sunt foarte excitate, se învârt și se ciocnesc rapid unele de altele. Aceleași molecule de apă sunt mai puțin agitate atunci când se unesc sub formă de condensare pe un geam.

Iată care este problema: atunci când vă apropiați la nivelul, să zicem, al unei molecule de apă care se ciocnește și ricoșează în alta, săgeata timpului dispare. Dacă ați viziona o înregistrare video microscopică a acestei coliziuni și apoi ați derula-o înapoi, nu ar fi evident care este direcția înainte și care este înapoi. La cea mai mică scară, fenomenul care produce căldură – ciocnirile de molecule – este simetric în timp.

Acest lucru înseamnă că săgeata timpului dinspre trecut spre viitor apare doar atunci când faci un pas înapoi de la lumea microscopică la cea macroscopică – un lucru apreciat pentru prima dată de fizicianul-filosof austriac Ludwig

„Astfel, direcția timpului vine din faptul că ne uităm la lucruri mari, nu la detalii”, spune Rovelli: „De la acest pas, de la viziunea microscopică fundamentală a lumii la cea grosieră, la descrierea aproximativă a lumii macroscopice – aici intervine direcția timpului. Nu este vorba de faptul că lumea este fundamental orientată în spațiu și timp. Ci faptul că, atunci când ne uităm în jur, vedem o direcție în care lucrurile de dimensiuni medii, de zi cu zi, au mai multă entropie – mărul copt căzut din copac, pachetul de cărți amestecate”.

În timp ce entropia pare să fie inextricabil legată de săgeata timpului, pare puțin surprinzător – poate chiar deconcertant – faptul că singura lege a fizicii care are o puternică direcționalitate a timpului încorporată în ea își pierde această direcționalitate atunci când ne uităm la lucruri foarte mici.

„Ce este entropia?” întreabă Rovelli: „Entropia este pur și simplu cât de mult uităm de microfizică, cât de mult uităm de molecule.”

Începutul și sfârșitul

Dacă există o săgeată a timpului, de unde a apărut ea în primul rând? „Răspunsul este încorporat în începutul Universului”, spune Carroll: „Răspunsul se datorează faptului că Big Bang-ul a avut o entropie scăzută. Și totuși, 14 miliarde de ani mai târziu, înotăm în urmările acelui tsunami care a început în apropierea Big Bang-ului. De aceea, timpul are o direcție pentru noi”.

Entropia extraordinar de scăzută a Universului în momentul Big Bang-ului reprezintă atât un răspuns, cât și o întrebare enormă. „Lucrul pe care îl înțelegem cel mai puțin despre natura timpului este de ce Big Bang-ul a avut o entropie scăzută, de ce Universul timpuriu a fost așa”, spune Carroll: „Și cred sincer, ca cosmolog în activitate, cred că colegii mei cosmologi au scăpat mingea în această privință. Ei nu iau această problemă suficient de în serios”.

În 2004, Carroll a publicat o lucrare împreună cu colega sa Jennifer Chen, în care au încercat să explice de ce Universul a avut o entropie atât de scăzută în apropierea Big Bang-ului, în loc să presupună sau să accepte pur și simplu că așa a fost: „Există o mulțime de lacune în teorie, o mulțime de aspecte ale acesteia care nu sunt complet coapte – dar cred, de asemenea, că este de departe cea mai bună teorie de pe piață. Nu trișează”.

Alți cosmologi sunt de acord că este într-adevăr timpul să ne gândim serios la această problemă a originii cu entropie scăzută a Universului. „Probabilitatea ca Universul nostru actual să aibă condiții inițiale de acest tip, și nu de orice alt tip, este de aproximativ una la 10 la 10 la 124 (1:10^10^124)”, spune Cortês. (Un alt mod de a spune acest lucru este că evenimentul a avut o probabilitate de 0,00…01 – cu 10^(10^124) zerouri omise – un număr atât de mare încât este greu de exprimat în matematica convențională, notează Cortês). „Vreau să spun că aș putea spune cu siguranță că acesta este cel mai mare număr din fizica modernă, în afara filozofiei sau a matematicii.”

A lua pur și simplu drept date astfel de origini improbabile de entropie scăzută este un caz grandios de „băgarea problemei sub preș”, spune Cortês. „Dacă fizicienii continuă să facă acest lucru, după un timp va fi o grămadă foarte mare sub preș. Ne rămâne nouă, cosmologilor, să explicăm de ce timpul se mișcă doar înainte”.

Chiar dacă nu știm încă de ce, trecutul cu entropie scăzută al Universului este o sursă plauzibilă a săgeții timpului. La fel ca majoritatea lucrurilor care au un început, săgeata va avea și un sfârșit. Prima persoană care a observat acest lucru a fost, încă o dată, fizicianul austriac Ludwig Boltzmann.

„Boltzmann s-a gândit: „ah, entropia crește în Univers și poate că la un moment dat va ajunge la maxim”, spune Rovelli. În acel moment, căldura ar fi distribuită uniform în tot Universul, nu ar mai curge dintr-un loc în altul.Chiar dacă nu știm încă de ce, trecutul cu entropie scăzută al Universului este o sursă plauzibilă a săgeții timpului. La fel ca majoritatea lucrurilor care au un început, săgeata va avea și un sfârșit. Prima persoană care a observat acest lucru a fost, din nou, fizicianul austriac Ludwig Boltzmann.

„Boltzmann s-a gândit: „ah, entropia crește în Univers și poate că la un moment dat va ajunge la maxim””, spune Rovelli. În acel moment, căldura ar fi distribuită uniform în tot Universul, nu ar mai curge dintr-un loc în altul.

Nu ar mai exista energie disponibilă într-o formă utilă pentru a efectua muncă – cu alte cuvinte, nu s-ar mai întâmpla aproape nimic interesant în întregul Univers. După cum descrie astrofizicianul Katie Mack: „Pe măsură ce acest proces continuă, totul se descompune atât de mult încât tot ceea ce rămâne este căldura reziduală a tot ceea ce a existat vreodată în Univers”. Această soartă este cunoscută sub numele de moartea termică a Universului, sau moartea termică.

„Stelele vor înceta să mai ardă, nu se va mai întâmpla nimic. Nu vor mai exista decât mici fluctuații termice”, spune Rovelli. „Să presupunem că acest lucru se va întâmpla – și nu știm cu siguranță dacă se va întâmpla, dar să presupunem că se va întâmpla – ar trebui să spunem că acolo nu există nicio direcție a timpului? Bineînțeles că nu există o direcție a timpului, deoarece fiecare fenomen care s-a întâmplat într-un fel ar putea, de asemenea, să meargă într-un fel sau altul. Nimic nu va distinge cele două direcții ale timpului.”

Acesta este poate cel mai ciudat lucru despre săgeata timpului: „Ea durează doar o perioadă scurtă de timp”, spune Carroll.

Este foarte greu să ne imaginăm ce s-ar putea întâmpla dacă săgeata timpului ar dispărea în cele din urmă. „Când gândim, producem căldură în neuronii noștri”, spune Rovelli: „Gândirea este un proces în care neuronii au nevoie de entropie pentru a funcționa. Senzația noastră de trecere a timpului este doar ceea ce entropia face creierului nostru”.

Săgeata timpului care rezultă din entropie ne aduce mult mai aproape de a înțelege de ce timpul merge doar înainte. Dar s-ar putea să existe mai multe săgeți ale timpului decât aceasta – de fapt, se poate spune că există o întreagă voltă de săgeți ale timpului care arată dinspre trecut spre viitor. Pentru a le înțelege, trebuie să trecem de la fizică la filosofie.

Timpul uman

Felurile în care înțelegem și experimentăm intuitiv timpul nu ar trebui să fie luate cu ușurință, spune Jenann Ismael, profesor de filosofie la Universitatea Columbia din New York. Dacă vă gândiți la propria experiență a timpului, s-ar putea ca în curând să puteți recunoaște câteva dintre săgețile psihologice care formează o parte esențială a experienței umane. Una dintre aceste săgeți este ceea ce Ismael numește „fluxul”.

„Dacă priviți lumea, nu experimentați o reprezentare pur statică a stării instantanee a lumii”, spune ea, ca într-un film alcătuit dintr-un număr de cadre statice la fiecare secundă: „Vedem în mod direct că lumea se schimbă”.

Această experiență a fluxului de timp este încorporată în percepția noastră. „Viziunea nu este deloc ca o cameră de filmat”, spune Ismael: „De fapt, ceea ce se întâmplă este că creierul tău colectează informații pe o anumită perioadă temporală. Integrează aceste informații astfel încât, la un moment dat, ceea ce vedeți este un calcul pe care creierul l-a făcut. Astfel încât nu vezi doar că lucrurile se mișcă, ci și cât de repede se mișcă, direcția în care se mișcă. Deci, în tot acest timp, creierul integrează informații pe intervale temporale și vă oferă rezultatul. Așa că vezi timpul, într-un fel.”

Există o a doua caracteristică a timpului pe care Ismael o distinge de flux, pe care o numește „trecere”.

Ideea de trecere este strâns legată de experiențele orientate spre timp, cum ar fi memoria și anticiparea. Să luăm exemplul unei nunți sau al oricărui eveniment de viață mult anticipat. Experiența noastră cu privire la aceste momente are multe straturi – de la etapele de planificare fragedă, la intensitatea zilei în sine, la amintirile care rămân cu noi ani de zile. Există o direcționalitate a acestor experiențe diferite: modul în care anticipăm un eveniment în viitor este fundamental diferit de modul în care ne amintim de el atunci când a trecut.

„Toate acestea fac parte din ceea ce eu consider a fi experiența trecerii, această idee că experimentăm fiecare eveniment ca fiind anticipat din trecut, trăit în prezent, amintit în retrospectivă”, explică Ismael: „Este un fel de Proustian în densitatea sa.”

Aceste aspecte ale direcționalității timpului psihologic – precum și multe altele, cum ar fi sentimentul de deschidere pe care îl avem față de viitor, dar nu și față de trecut – și-ar putea găsi toate rădăcinile în săgeata timpului născută în timpul Revoluției Industriale.

„Cred că totul se întoarce la entropie”, spune Ismael: „Nu văd niciun motiv acum să cred că tipurile de săgeți care sunt implicate în psihologia umană nu au alte rădăcini decât cele care, în cele din urmă, își au rădăcinile în săgeata entropică. Dar este o întrebare empirică. Acest proiect de a înțelege experiența umană în raport cu săgeata entropică, nu am niciun motiv să cred că va eșua”.

Acest proiect este ceea ce speră să facă Carroll, luând mai multe caracteristici ale experienței noastre temporale și raportându-le la entropie. Prima sa țintă este cauzalitatea, un alt element al săgeții timpului, întrucât cauzele se produc înaintea efectelor

Cel puțin, acest proiect este o întreprindere majoră pentru toți fizicienii și filosofii implicați. Și totuși, ascunsă în umbră în spatele tuturor acestor eforturi, rămâne acea întrebare sâcâitoare despre motivul pentru care entropia era atât de scăzută în Universul timpuriu.

„Cred că înțelegem de ce avem acest sentiment de curgere”, spune Rovelli: „Înțelegem de ce trecutul ni se pare fixat, că viitorul pare deschis. Înțelegem de ce există fenomene ireversibile și putem reduce toate acestea la cea de-a doua lege a termodinamicii, la creșterea entropiei. Este foarte mult legat de faptul că, dacă ne întoarcem înapoi, înapoi, înapoi, înapoi, la faptul că Universul a început foarte mic, într-o situație foarte specială. Apoi, cumva, se prăbușește din acea situație particulară. Dar, bineînțeles, există o întrebare deschisă, adică, de ce? De ce a început în acest mod special?”