Czy czas może płynąć wstecz? Naukowcy twierdzą, że tutaj tak

Z obliczeń naukowców wynika, że w kosmosie są zakamarki, gdzie coś takiego może zachodzić. Odpowiada za to zjawisko, które dobrze znamy, powszechne w całym Wszechświecie - entropia. Sęk w tym, że w niektórych miejscach ze względu na szczególne okoliczności zachodzi w sposób odwrotny lub inaczej od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni.

Gdzie strzałka czasu się odwraca?

Zespół badawczy z RPA przeanalizował szczegółowo równania opisujące zachowanie gwiazd neutronowych, porównując ją z obowiązującym oficjalnie w nauce sposobem myślenia o tzw. „strzałce czasu”. Uczeni odkryli i opisali to publikacji na łamach „European Physical Journal C”. Weług nich, w pewnych warunkach specyficzna, niezwykle silna grawitacja gwiazdy neutronowej wywraca równania matematyczne do góry nogami, tworząc nowy rodzaj strzałki czasu skierowanej przeciwnie.

Ich badania skupiły się na matematycznych funkcjach dotyczących czasoprzestrzeni. To dzięki nim ukształtowało się nasze współczesne rozumienie strzałki czasu jako pojęcia pochodnego entropii.

Czym jest entropia?

Entropia jest miarą nieuporządkowania danego układu i stopnia rozproszenia energii. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do innego, bez udziału czynników zewnętrznych (czyli spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

Według teorii fizycznych, entropia Wszechświata rośnie i tego wzrostu nie da się zatrzymać. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki będzie rosnąć, dopóki nie osiągnie on stanu o najniższej możliwej energii. To będzie śmierć cieplna Wszechświata, gdy temperatura spadnie do zera absolutnego.

Gwiazdy neutronowe — miejsca odwróconej strzałki czasu

Badacze z RPA skupili się na parametrach, które pomagają zdefiniować, w jaki sposób czasoprzestrzeń zakrzywia się, kurczy, deformuje i zniekształca w różnych okolicznościach. To dość złożona matematyka. Aby w niej nie ugrzęznąć napiszmy tylko ogólnie i hasłowo, że chodzi w tym o skalar krzywizny Ricciego, który mierzy, w jakim stopniu lokalna krzywizna czasoprzestrzeni różni się od przestrzeni płaskiej, i jest wskaźnikiem zawartości materii i energii, skalar Kretschmanna pozwalający na wykrycie osobliwości, które są niezmienne względem zmiany układu współrzędnych i tensor Weyla, który pozwala nam mierzyć zniekształcenie czasoprzestrzeni spowodowane efektami pływowymi.

Wszystko to zostało zestawione z egzotyczną strukturą ekstremalnie gęstych gwiazd neutronowych. Są to twory niezwykłe w porównaniu z większością obserwowanego Wszechświata. Stanowią w zasadzie jądra umarłych gwiazd, ale pod wieloma względami zachowują się bardziej jak czarne dziury niż obiekty, których moglibyśmy się spodziewać, czyli coś martwego i nieciekawego. Mają rozmiary planetoid przy masie podobnej do Słońca, co oznacza, że są niewiarygodnie gęste.

Powstają w procesie zapadania się gwiazdy „do własnego środka”. Ze względu na charakter tych zjawisk nazywane są „niestabilnymi”. Naukowcy wykryli, analizując równania, że zachodzące w nich zjawiska wskazują na lokalny spadek entropii.

Dlaczego strzałka gdzieniegdzie się odwraca?

Wzrost entropii Wszechświata jest powiązany z tradycyjnie rozumianym kierunkiem strzałki czasu. Spadek entropii w jakimś miejscu oznacza, jak twierdza badacze, że czas w nim płynie wstecz. I ta jest, według obliczeń, wewnątrz gwiazdy neutronowej.

Uczeni napisali w swojej publikacji, że wynik ten był intuicyjnie oczekiwany, ponieważ „entropia grawitacyjna sprzyja skupianiu się materii, podczas gdy zwykła entropia materii sprzyja jej rozpraszaniu”. Entropia grawitacyjna to nowsza koncepcja, zgodnie z którą grawitacja, zamiast być przewidywalnym oddziaływaniem fundamentalnym, jest pochodną entropii, która powoli pogrąża wszystko we Wszechświecie w coraz większym chaosie. Te dwa rodzaje entropii (ten, który powoduje skupianie się materii, i ten, który powoduje jej rozpraszanie) pozostają zatem w napięciu, które zmienia się w zależności od tego, czy grawitacja jest silniejsza, czy słabsza.

Nie wynika z tego jeszcze żadne radykalne podważenie reguł działania Wszechświata, gdyż ogólnie, w wielkiej skali, entropia i tak rośnie. Tylko lokalnie, jak wynika z tego, co obliczono w RPA, we wnętrzach gwiazd neutronowych, proces ten może się odwracać.

Czy możliwe jest wyjście z chmury atomów zanim się do niej weszło?

Na to, że z tym czasem jednak coś nie jest tak, nie tylko w gwiazdach neutronowych, ale w wielu innych miejscach i warunkach, wskazuje coraz więcej innych naukowych badań. Nie tylko zresztą na to, że potrafi biec wstecz, ale w ogóle, że należy go inaczej rozumieć, niż nam się popularnie wydaje.

Według wyników eksperymentu, które opublikowano niedawno w czasopiśmie „Physical Review Letters”, fotony światła emitowane przez chmurę innych atomów przebywały w niej przez czas… ujemny. Owe inne atomy to atomy rubidu. Wchodzą one w rezonans z fotonami, co oznacza, że energia fotonu może zostać tymczasowo przekazana atomom wzbudzając je. Pozwala to fotonowi „przebywać” w chmurze atomowej przez pewien czas, zanim ją opuści. Aby rezonans był skuteczny, foton musi mieć ściśle określoną energię, odpowiadającą ilości energii potrzebnej do wprowadzenia atomu rubidu w stan wzbudzony.

Jednak z zasady nieoznaczoności Heisenberga powinno wynikać, że, jeśli energia fotonu jest ściśle określona, to przedział czasu, w którym to zjawisko zachodzi, musi być nieokreślony. Oznacza to, że nie możemy dokładnie wiedzieć, kiedy foton wchodzi do chmury atomów, choć możemy to „wiedzieć”, w sensie statystycznym, określając prawdopodobieństwo takiego zdarzenia. Jeśli taki foton zostanie wystrzelony do chmury, najbardziej prawdopodobnym wynikiem jest to, że jego energia zostanie przekazana atomom (rezonans), a następnie ponownie wyemitowana jako foton poruszający się w losowym kierunku.

Ujemna ilość czasu

Na podstawie średniego czasu, w którym foton wchodzi do chmury, można obliczyć oczekiwany średni czas, w którym dotrze on na drugą stronę chmury, zakładając, że porusza się z prędkością światła, jak to zwykle bywa w przypadku fotonów. Okazuje się jednak, że foton faktycznie dociera tam znacznie wcześniej. W rzeczywistości, jak wynika z eksperymentu, może dotrzeć na drugą stronę tak wcześnie, że wydaje się, jakby spędził w chmurze ujemną ilość czasu, wychodząc z niej „średnio” jeszcze zanim do niej wszedł.

Jakkolwiek może to brzmieć sensacyjnie, jako rodzaj magii, zjawisko to jest znane nauce od dziesięcioleci i zostało zaobserwowane po raz pierwszy w eksperymencie jeszcze w latach dziewięćdziesiątych XX wieku. Z jakiegoś jednak powodu większość fizyków postanowiła nie traktować tego ujemnego czasu poważnie.

Dlaczego czas ujemny nie robi na fizykach wrażenia?

Ponieważ zdaniem tych wszystkich fizyków, to dziwne zjawisko można to wyjaśnić w ten sposób, iż tylko samo czoło trwającego pewien czas impulsu przechodzi prosto przez chmurę atomową, podczas gdy reszta fotonów ulega rozproszeniu. Stąd wynik, że foton, który dotarł do celu pierwszy lub jako jeden z pierwszych, nie ulegając rozproszeniu, pojawia się wcześniej, niż można by się, „średnio” czyli statystycznie, spodziewać.

Co mówią atomy, jeśli je zapytać?

Jednak Aephraim Steinberg, jeden z autorów wspomnianego pionierskiego badania z 1993 roku, nie był skłonny zaakceptować tego zdroworozsądkowego, jak się wydaje, wyjaśnienia. W swoim laboratorium na Uniwersytecie w Toronto chciał zbadać, co stałoby się, gdyby „zapytać” atomy rubidu w chmurze, by w końcu dokładnie ustalić, jak długo foton z nimi przebywał wśród i co się dzieje „w środku”.

„Pytanie” atomów, w praktyce oznacza przeprowadzanie pomiarów w sposób ciągły podczas przechodzenia fotonu przez chmurę. Ma to na celu sprawdzenie, czy jest tam z nimi w danym czasie energia fotonu. Jest tu jednak pewna subtelność - pomiary w fizyce kwantowej nieuchronnie zakłócają mierzony układ, co w danym przypadku uniemożliwilibyśmy atomom oddziaływanie z fotonem.

Rozwiązaniem okazało się strzelanie w atomy słabą wiązką lasera. Nie zakłócało to rezonansu atomów z fotonami, ale pozwalało zmierzyć niewielkie zmiany fazy światła wiązki, wykazujące stany wzbudzenia atomów. Nie jest to metoda o wielkiej precyzji, ale daje naukowcom potrzebne informacje. Te informacje ku zmartwieniu zdroworozsądkowych interpretatorów wskazywały niestety na czas ujemny. Co ważne czas ujemny przebiegu fotonów wynikał z dwóch zupełnie odrębnych eksperymentów, przeprowadzonych całkiem różnymi metodami. To wciąż, zdaniem eksperymentatorów, nie rewolucjonizuje fizyki, bo przecież można powiedzieć, że to co „mówią” atomy w chmurze jest tym samym efektem statystycznym. Efekt ten jednak wciąż godzi w intuicję i przyzwyczajenia myślowe i niepokoi, stwarzając wrażenie, że jest coś czego nie umiemy wyjaśnić.

Włącznik światła został naciśnięty, ponieważ żarówka się zapaliła

W świecie kwantowym takie zdanie wcale nie jest absurdalne. Co więcej, okazuje się, że „odpuszczenie" tradycyjnej strzałki czasu rozwiązuje problem, od którego bolała głowa samego Alberta Einsteina. Pół wieku temu fizyk Yakir Aharonov zapytał, czy czas w mechanice kwantowej musi biegnąć z przeszłości w przyszłość? Odpowiedź, wyrażona w języku matematyki, brzmi po prostu – nie, wcale nie musi. W 1964 r. Aharonov wraz ze swymi kolegami, Peterem Bergmannem i Joelem Lebowitzem z Uniwersytetu Yeshiva w Nowym Jorku zaproponowali nową interpretację teorii o nazwie czasowo-symetryczna mechanika kwantowa. Wyjaśniała, w jaki sposób informacje z przyszłości mogą wyjaśniać to co zachodzi w teraźniejszości, tak przynajmniej jak ja rozumiemy.

Teorii tej potrzebne były konkretne eksperymenty wskazujące, że przedsięwzięcie z przyszłości może mieć wpływ na wydarzenia dziejące się w przeszłości. Przez całe lata 80-te i 90-te XX wieku Jeff Tollaksen wraz z Aharonovem próbowali je obmyślić. Aby odkryć działającą wstecz przyczynowość, czyli przepływ informacji z przyszłości do teraźniejszości, eksperyment musiał zademonstrować, że efekty zmierzone w czasie pośredniego pomiaru były połączone z akcjami wykonywanymi w późniejszym czasie.

Uczeni zaproponowali w końcu analizowanie właściwości zwanej spinem cząstek elementarnych, odpowiadającej wirowaniu piłki, jednak z kilkoma ważnymi różnicami. W świecie kwantowym cząsteczka może wirować jedynie na dwa sposoby, w górę i w dół, przy czym każdy kierunek posiada ustaloną wartość (np. 1 i – 1). Na początku uczeni mierzą spin grupy cząsteczek o godzinie 9.00, potem o 9:30. Następnego dnia powtarzają czynność, przy czym tym razem dokonują również trzeciego pomiaru podzbioru cząstek ok. godziny 10:00. Jeśli ich przewidywania, co do wstecznej celowości były prawdziwe, doszłoby do widocznej zmiany. Innymi słowy, pomiar spinu przeprowadzonego o 9 i 10 mógł spowodować niespodziewany wzrost intensywności spinu mierzonego w środku, a więc o 9:30. Sam efekt nie ograniczałby się jedynie do spinu. Widać byłoby także dramatyczną zmianę innych wartości kwantowych.

Co będzie, jeśli pozbędziemy się czasu?

Dziś niektórzy uczeni coraz częściej i coraz głośniej powtarzają, iż z eksperymentów kwantowych wynika, że czas nie istnieje - przynajmniej nie w taki sposób, jak nam się tradycyjnie wydawało. Fizycy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego (ANU) przeprowadzili w 2015 r. wymyślony przez znanego fizyka, Johna Wheelera w 1978 r. eksperyment „z opóźnionym wyborem", a jego wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Physics”. Wheeler szukał odpowiedzi na pytanie o zachowanie się światła, sprawdzając czy światło „wyczuwa” w jakiś sposób aparaturę pomiarową i czy „dostosowuje” do niej swoje zachowanie.

Australijski zespół uwięził kilka atomów helu w stanie znanym jako kondensat Bosego-Einsteina, a następnie usuwał je, aby w końcu pozostał tylko jeden atom. Ten został następnie rzucony na wiązkę laserów ułożonych we wzór kraty, tworzący skrzyżowanie na drodze atomu. Potem dodano drugą warstwę laserowych krat, które rekombinowały ścieżkę po pierwszym „skrzyżowaniu”. W wypadku pierwszego ze skrzyżowań dochodziło do interferencji podobnej do znanego eksperymentu ze szczelinami. Wyglądało to tak, że po pierwszym skrzyżowaniu atom nie określił jeszcze swojej dokładnej ścieżki, robił to dopiero na drugim skrzyżowaniu, po którym następował pomiar. Czyli jego stan z przeszłości na drodze pomiędzy skrzyżowaniami zdefiniowany został później, gdy przeszedł drugie z nich.

Jeśli spróbujemy nadać obiektywne znaczenie stanowi kwantowemu pojedynczego systemu, pojawiają się dziwne paradoksy - efekty kwantowe naśladują nie tylko natychmiastowe działanie na odległość, ale także, jak widać, wpływ przyszłych działań na wydarzenia z przeszłości, nawet po tym, jak wydarzenia te zostały nieodwracalnie zarejestrowane - komentował w mediach australijski eksperyment Asher Peres, pionier teorii informacji kwantowej.

Wheeler zaproponował, by wyobrazić sobie ten sam rodzaj eksperymentu w kosmicznej skali, np. jako gwiazdę emitującą miliardy lat temu foton w kierunku planety Ziemia. Po drodze natrafia on na galaktykę. W wyniku tzw. soczewkowania grawitacyjnego światło, czyli foton będzie musiało zagiąć się wokół galaktyki, a więc musi obrać jedną z dwu ścieżek. Miliardy lat później, jeśli ktoś na Ziemi zdecyduje się zbudować aparat do detekcji tego fotonu, to otrzymany wynik byłby obrazem interferencji, jak w eksperymencie. Gdyby jednak wybrać „podgląd” fotonu, ustawiając urządzenia rejestrujące po obu stronach galaktyki w celu ustalenia, po której stronie foton przeleciał obok niej, otrzymalibyśmy inny wynik. Sam akt pomiaru lub obserwacji oznacza, że przechodzi tylko z jednej strony. Zatem sposób, w jaki decydujemy się mierzyć „teraz”, wpływa na to, w jakim kierunku foton skierował się miliardy lat wcześniej. Nasz wybór budowy detektorów w chwili obecnej wpłynął na to, co wydarzyło się już w przeszłości.

Jak się pozbyć upiorów Einsteina?

Jak widać, wydaje się, że można odwrócić działanie przyczynowości w czasie, co oznacza, że cząstka mogłaby cofnąć się wskutek swojego pomiaru w czasie, do momentu, kiedy została splątana kwantowo, wpływając na partnerkę, z którą ja splątano. Splątanie kwantowe to jedno z najbardziej historycznie kontrowersyjnych zjawisk, prześladujące Alberta Einsteina, bo niezgodne z jego teorią względności i limitem prędkości światła dla wszystkiego co zachodzi we Wszechświecie

Para fizyków z USA i Kanady - Matthew S. Leifer z Uniwersytetu Chapmana w Kalifornii oraz Matthew F. Pusey z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario, zauważyła, że gdy nie trzymamy się wersji, iż czas biegnie w jedną stronę, znikają owe „upiory” Einsteina. Pomiary przeprowadzone na cząstce mogą odbijać się echem w przeszłości i przyszłości, które tracą w tej sytuacji swoje znaczenie, do którego my ludzie jesteśmy przywiązani. Przeformułowując kilka podstawowych założeń, naukowcy opracowali model oparty na twierdzeniu Bella, w którym przestrzeń została zamieniona na czas. Ich obliczenia pokazują, dlaczego, przyjmując, iż czas zawsze biegnie „do przodu”, potykamy się o sprzeczności. Rozważania te zostały opublikowane w „Proceedings of The Royal Society A” w 2017 r.

Dlaczego ludzka „maszyna termomodynamiczna” zna tylko jeden kierunek strzałki czasu?

„Nie ma czegoś takiego jak przeszłość czy przyszłość", pisze fizyk Carlo Rovelli w książce „Seven Brief Lessons on Physics" („Siedem krótkich lekcji fizyki”), która sprzedała się w milionach egzemplarzy na całym świecie. Jest on znany jako propagator tzw. kwantowej grawitacji pętlowej, oferującej rozwiązanie problemu pogodzenia pozornie niekompatybilnych teorii mechaniki kwantowej oraz ogólnej teorii względności Einsteina. W koncepcji tej czasoprzestrzeń sama w sobie jest rozumiana jako drobnoziarnista struktura utkana z pętli. W świecie względnego czasu absolutne „teraz” wydaje się bezsensowne. Jak mówi Rovelli, czas nie jest więc jakąś odrębną rzeczywistością, która beznamiętnie płynie gdzieś obok nas, lecz jest „częścią skomplikowanej geometrii tkanej razem z geometrią przestrzeni”.

Według Rovellego, nasze ludzkie doświadczenie czasu jest nierozerwalnie związane zachowaniami typowymi dla energii cieplnej, bo ta dla nas, ludzi, dla naszego życia i świata jest ważna.

Dlaczego ludzie odczuwają czas jako jednokierunkowy?

Kluczem, jak sugeruje uczony, jest jednokierunkowy przepływ ciepła z cieplejszych obiektów do zimniejszych. Kostka lodu wrzucona do gorącej filiżanki kawy chłodzi kawę. Proces ten nie jest odwracalny.

„Człowiek jako swoista „maszyna termodynamiczna” podąża za cieplną strzałką czasu i nie jest w stanie pojąć innego kierunku, bo to go przerasta. Jednak w skalach mikro „różnica między przeszłością a przyszłością zanika (...) w elementarnej gramatyce rzeczywistości nie ma rozróżnienia między przyczyną a efektem” – pisze Rovelli.

Czas więc zrozumieć, że czas we Wszechświecie, w różnych, trudnych dla nas do zrozumienia skalach, jest czasem czymś zupełnie innym niż to do czego nawykliśmy.

Źródła:

• https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-026-15542-1
• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gjfq-k9dv 
• https://www.nature.com/articles/nphys3343
• https://royalsocietypublishing.org/rspa/article/473/2202/20160607/57344/Is-a-time-symmetric-interpretation-of-quantum

FAQ: Zagadki czasu?

1. Czy czas może naprawdę płynąć wstecz? Tak, według obliczeń naukowców istnieją miejsca i okoliczności we Wszechświecie, w których czas nie płynie „do przodu", lecz w przeciwnym kierunku lub nie płynie wcale. Odpowiada za to entropia — zjawisko powszechne w całym kosmosie, które w pewnych warunkach może zachodzić odwrotnie.
2. Gdzie konkretnie czas może płynąć wstecz? Badacze z RPA wykazali, że lokalna strzałka czasu może się odwracać wewnątrz gwiazd neutronowych. Ich ekstremalnie silna grawitacja powoduje lokalny spadek entropii, co — zgodnie z fizyką — oznacza odwrócony kierunek czasu.
3. Czym jest strzałka czasu i dlaczego jest związana z entropią? Strzałka czasu to pojęcie opisujące kierunek, w którym czas „płynie" — od przeszłości ku przyszłości. Jest ona pochodną entropii, czyli stopnia nieuporządkowania układu. Ponieważ entropia w skali całego Wszechświata stale rośnie, czas płynie do przodu. Tam, gdzie entropia lokalnie maleje, strzałka czasu się odwraca.
4. Czym są gwiazdy neutronowe i dlaczego odgrywają tu kluczową rolę? Gwiazdy neutronowe to pozostałości po martwych gwiazdach — mają rozmiary małych planetoid, lecz masę podobną do Słońca, co czyni je niewiarygodnie gęstymi. Ich ekstremalnie silna grawitacja sprawia, że entropia grawitacyjna (sprzyjająca skupianiu materii) przeważa nad zwykłą entropią (sprzyjającą rozpraszaniu materii), wywołując lokalny spadek entropii.
5. Co to jest czas ujemny i czy naprawdę zaobserwowano go eksperymentalnie? Czas ujemny oznacza sytuację, w której cząstka lub foton „wychodzi" z jakiegoś miejsca zanim do niego „weszła" — w sensie statystycznym. Eksperyment opublikowany w „Physical Review Letters" wykazał, że fotony przechodzące przez chmurę atomów rubidu spędzały w niej ujemną ilość czasu. Zjawisko to jest znane nauce od lat 90. XX wieku.
6. Jak atomy rubidu pomagają badać czas ujemny? Atomy rubidu wchodzą w rezonans z fotonami — tymczasowo pochłaniają ich energię, a następnie ją re-emitują. Dzięki temu można zmierzyć, jak długo foton „przebywa" w chmurze atomowej. Aephraim Steinberg z Uniwersytetu w Toronto dokonał takich pomiarów i stwierdził, że fotony docierały na drugą stronę chmury wcześniej, niż wynikałoby to ze statystycznej wartości średniej.
7. Czy mechanika kwantowa dopuszcza, że przyszłość może wpływać na przeszłość? Tak. Fizyk Yakir Aharonov już w 1964 r. zaproponował czasowo-symetryczną mechanikę kwantową, w której informacje z przyszłości mogą wpływać na teraźniejszość. Eksperymenty z „opóźnionym wyborem" przeprowadzone przez fizyków z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego potwierdziły, że to, jak mierzymy cząstkę „teraz", może wpłynąć na to, co wydarzyło się w przeszłości.
8. Jak kwestia czasu wiąże się ze splątaniem kwantowym i problemem Einsteina? Einstein nazywał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość", bo wydawało się sprzeczne z jego teorią względności. Fizycy Matthew Leifer i Matthew Pusey pokazali, że gdy przestaniemy zakładać, iż czas biegnie wyłącznie w jednym kierunku, splątanie przestaje być paradoksem — pomiary cząstek mogą „odbijać się echem" zarówno w przeszłości, jak i przyszłości.

[Autor, Mirosław Usidus jest popularyzotorem nauki i byłym redaktorem naczelnym Młodego Technika]

[Tytuł, lead, sekcje "Co musisz wiedzieć", "Co to oznacza dla Czytelnika" i niektóre śródtytuły od Redakcji]

Co to oznacza dla Czytelnika?

• Nie oznacza to, że podróże w czasie są dziś możliwe – fizycy badają lokalne efekty w ekstremalnych warunkach, np. w gwiazdach neutronowych.
• Nasze rozumienie czasu może być niepełne – część badaczy uważa, że czas może być skutkiem głębszych procesów fizycznych.
• Mechanika kwantowa nadal kryje paradoksy – niektóre eksperymenty sugerują, że przyczyna i skutek nie zawsze zachowują się intuicyjnie.