Az idő a valóság legalapvetőbb jellemzőjének tűnik. A másodpercek ketyegnek, napok múlnak el, és a bolygók mozgásától az emberi emlékezetig ...
Az idő a valóság legalapvetőbb jellemzőjének tűnik. A másodpercek ketyegnek, napok múlnak el, és a bolygók mozgásától az emberi emlékezetig minden egyetlen, visszafordíthatatlan irány mentén bontakozik ki.
Megszületünk, majd meghalunk – pontosan ebben a sorrendben. Idő köré tervezzük az életünket, kényszeresen mérjük, és a múltból a jövőbe tartó töretlen folyamként tapasztaljuk meg. Annyira nyilvánvalónak tűnik, hogy az idő előre halad, hogy a megkérdőjelezése szinte értelmetlennek látszhat.
Mégis, a fizika több mint egy évszázada küzd azzal, hogy megmondja, mi is az idő valójában. Ez a küzdelem nem filozófiai szőrszálhasogatás; a tudomány legmélyebb problémáinak szívében lakozik.
A modern fizika különböző, de egyformán fontos keretrendszerekre támaszkodik. Az egyik Albert Einstein általános relativitáselmélete, amely a nagy objektumok, például a bolygók gravitációját és mozgását írja le. A másik a kvantummechanika, amely az atomok és részecskék mikrovilágát uralja. Még nagyobb léptékben pedig a kozmológia standard modellje írja le az univerzum születését és fejlődését. Mindegyik támaszkodik az időre, mégis összeférhetetlen módon kezelik azt. Amikor a fizikusok megpróbálják ezeket az elméleteket egyetlen keretbe foglalni, az idő gyakran váratlan és zavarba ejtő módon viselkedik. Néha megnyúlik. Néha lelassul. Néha pedig teljesen eltűnik.
Einstein relativitáselmélete mérte az első csapást a hétköznapi megérzéseinkre. Einstein megmutatta, hogy az idő nem univerzális. A gravitációtól és a mozgástól függően különböző sebességgel telik. Két egymáshoz képest mozgó megfigyelő nem fog egyetérteni abban, hogy mely események történtek egy időben. Az idő rugalmassá vált, és a térrel együtt egy négydimenziós szövetté, a téridővé fonódott össze. A kvantummechanika pedig még különösebbé tette a helyzetet. A kvantumelméletben az idő nem olyasvalami, amit az elmélet megmagyaráz, hanem egyszerűen feltételezi azt. A kvantummechanika egyenletei leírják, hogyan változnak a rendszerek az idő függvényében, de maga az idő egy külső paraméter marad, egy háttéróra, amely az elméleten kívül ketyeg.
Ez az eltérés akkor válik kritikussá, amikor a fizikusok a gravitációt kvantumszinten próbálják leírni, ami elengedhetetlen a mindenség elméletének kidolgozásához. Sok ilyen próbálkozás során az idő mint paraméter egyszerűen elpárolog az alapvető egyenletekből. Az univerzum megfagyottnak tűnik, olyan egyenletekkel leírva, amelyek nem utalnak a változásra. Ezt a rejtélyt az idő problémájaként ismerjük, és ez marad az egyik legtartósabb akadály az egységes fizikai elmélet előtt. A kozmológia és a részecskefizika hatalmas fejlődése ellenére még mindig nincs világos magyarázatunk arra, hogy az idő egyáltalán miért "folyik".
Most azonban egy viszonylag új megközelítés, amely a Claude Shannon által az 1940-es években kidolgozott információelmélet matematikai keretrendszerére épít, meglepő válaszokkal állt elő. Amikor a fizikusok az idő irányát próbálják megmagyarázni, gyakran az entrópia fogalmához fordulnak. A termodinamika második törvénye kimondja, hogy a rendezetlenség hajlamos növekedni. Egy pohár leeshet és darabokra törhet, de a szilánkok soha nem ugranak össze maguktól. A múlt és a jövő közötti aszimmetriát gyakran az idő nyilával azonosítják. Ez az elképzelés rendkívül befolyásos volt, hiszen megmagyarázza, miért visszafordíthatatlanok a folyamatok, és miért emlékszünk a múltra, de a jövőre nem. Ha az univerzum alacsony entrópiájú állapotból indult, és a fejlődése során egyre kaotikusabbá válik, az látszólag megmagyarázza az idő előrehaladását.
Az entrópia azonban nem oldja meg teljesen az idő problémáját. Egyrészt a fizika alapvető kvantummechanikai egyenletei nem tesznek különbséget múlt és jövő között. Az idő nyila csak akkor bukkan fel, amikor nagy számú részecskét és statisztikai viselkedést veszünk figyelembe. Ez egy mélyebb kérdést is felvet: miért indult az univerzum egyáltalán ilyen alacsony entrópiájú állapotból? Statisztikailag sokkal több módja van annak, hogy egy univerzumnak magas legyen az entrópiája, mint annak, hogy alacsony – ahogy egy szoba is sokkal több módon lehet rendetlen, mint tiszta. Miért kezdődne tehát egy ennyire valószínűtlen állapotban?
Az elmúlt évtizedekben csendes, de messzeható forradalom zajlott le a fizikában. Az információt, amelyet egykor csak az állapotok vagy valószínűségek nyomon követésére használt absztrakt könyvelési eszköznek tekintettek, egyre inkább fizikai mennyiségként ismerik el, akárcsak az anyagot vagy a sugárzást. Amíg az entrópia azt méri, hány mikroszkopikus állapot lehetséges, az információ azt méri, hogy a fizikai kölcsönhatások hogyan korlátozzák és rögzítik ezeket a lehetőségeket. Ez a váltás fokozatosan történt, olyan rejtélyek hatására, ahol az információ pusztán matematikai kezelése ellentmondásokhoz vezetett.
Az egyik első repedés a fekete lyukak fizikájában jelent meg. Amikor Stephen Hawking megmutatta, hogy a fekete lyukak hősugárzást bocsátanak ki, felvetődött a zavaró lehetőség: a fekete lyukba eső információ végleg elveszhet hőként. Ez a következtetés ütközött a kvantummechanikával, amely megköveteli az információ megőrzését. A feszültség feloldása arra kényszerítette a fizikusokat, hogy szembenézzenek egy mélyebb igazsággal: az információ nem választható. Ha teljes leírást akarunk az univerzumról, az információ nem tűnhet el anélkül, hogy aláásná a fizika alapjait. Világossá vált, hogy az információnak termodinamikai ára van, törlése energiát emészt fel, tárolása pedig fizikai erőforrásokat igényel.
Ezzel párhuzamosan meglepő kapcsolatok merültek fel a gravitáció és a termodinamika között. Bebizonyosodott, hogy Einstein egyenletei levezethetők olyan termodinamikai elvekből, amelyek a téridő geometriáját közvetlenül az entrópiához és az információhoz kötik. Ebben a nézetben a gravitáció nem alapvető erőként viselkedik, hanem úgynevezett "emergens" jelenségként – olyasvalamiként, ami több az alkotóelemei összegénél. Vegyük például a hőmérsékletet. Mindannyian érezzük, de alapvető szinten egyetlen részecskének nincs hőmérséklete; az csak sok molekula kollektív mozgásának eredményeként jön létre. Hasonlóképpen, a gravitáció is leírható statisztikai folyamatokból eredő emergens jelenségként. Egyes fizikusok szerint maga a gravitáció is az információból emelkedhet ki, tükrözve az információ eloszlását és feldolgozását.
Ezek az ötletek radikális szemléletváltásra hívnak. Ahelyett, hogy a téridőt tekintenénk elsődlegesnek, az információ lehet az az alapvetőbb összetevő, amelyből maga a téridő létrejön. Kutatók egy olyan keretrendszert vizsgáltak, amelyben maga a téridő információtároló közegként működik – és ennek fontos következményei vannak arra nézve, hogyan tekintünk az időre. Ebben a megközelítésben a téridő nem tökéletesen sima, hanem diszkrét elemekből áll, amelyek mindegyike véges kapacitással rendelkezik a kvantuminformáció rögzítésére. Ezek nem digitális értelemben vett bitek, hanem fizikai hordozók, amelyek képesek megőrizni a múltbeli kölcsönhatások emlékét.
Képzeljük el a téridőt úgy, mint egy apró, memóriával rendelkező cellákból álló anyagot. Ahogy egy kristályrács képes tárolni a korábban keletkezett hibákat, ezek a mikroszkopikus téridő-elemek is megőrizhetik a rajtuk áthaladó kölcsönhatások nyomait. Ez azt jelenti, hogy ha a téridő rögzíti az információt, akkor a jelenlegi állapota nemcsak azt tükrözi, ami most létezik, hanem mindent, ami korábban történt. Az univerzum ebben a nézetben nem csupán időtlen törvények szerint fejlődik, hanem emlékezik. Ez az emlékezet nem metaforikus. Minden fizikai kölcsönhatás információs nyomot hagy. Bár a kvantummechanika alapvető egyenletei elvben visszafelé is futtathatók lennének, a valós kölcsönhatások soha nem elszigetelten történnek; információt szivárogtatnak ki a környezetbe, maradandó rekordokat hagyva.
A geometria és az információ mélyen összefügg ebben a modellben. Kimutatták, hogy a téridő görbülete nemcsak a tömegtől és az energiától függ, hanem a kvantuminformáció – különösen a kvantum-összefonódás – eloszlásától is. Az összefonódás rejtélyes módon köti össze a távoli részecskéket, lehetővé téve számukra az információmegosztást. Ezek az információs láncok hozzájárulnak ahhoz a geometriához, amelyet az anyag és a sugárzás tapasztal. Ebből a szempontból a téridő geometriája nem csupán válasz arra, ami egy adott pillanatban létezik, hanem arra is, ami történt. Azok a régiók, amelyek sok kölcsönhatást rögzítettek, erősebben görbülnek, vagyis erősebb gravitációt mutatnak.
Ez a keretrendszer finoman megváltoztatja a téridő szerepét. Ahelyett, hogy semleges aréna lenne, a téridő aktív résztvevővé válik: információt tárol és alakítja a jövőbeli dinamikát. Ha a téridő rögzíti az információt, vajon az idő maga is ebből a rögzítési folyamatból eredhet? Nemrég kiterjesztették ezt a perspektívát magára az időre is. Megmutatták, hogy az időbeli sorrend a visszafordíthatatlan információs lenyomatokból emelkedik ki. Ebben a nézetben az idő nem olyasmi, amit kívülről adunk hozzá a fizikához, hanem azért jön létre, mert a fizikai folyamatok során információ íródik be az univerzumba, amit a termodinamika és a kvantumfizika törvényei miatt nem lehet globálisan "visszaírni".
Minden kölcsönhatás – például két részecske ütközése – információt ír az univerzumba. Ezek a lenyomatok halmozódnak. Mivel nem törölhetők, meghatározzák az események természetes sorrendjét. A korábbi állapotok azok, amelyek kevesebb információs rekorddal rendelkeznek, a későbbiek pedig azok, amelyek többel. A kvantumegyenletek nem preferálják az idő irányát, de az információ szétterjedésének folyamata igen. Amint az információ szétterjedt, nincs fizikai út vissza egy olyan állapotba, ahol lokalizált volt. Az időbeli sorrend tehát ebben a visszafordíthatatlanságban gyökerezik. Az idő nem a fizikai folyamatoktól függetlenül létezik, hanem a történés kumulatív rekordja. A jövő azért különbözik a múlttól, mert az univerzum több információt tartalmaz a múltról, mint amennyit valaha is tudhat a jövőről.
Érdekes módon ez a felhalmozott információs lenyomat megfigyelhető következményekkel is járhat. Galaktikus léptékben a maradványinformáció extra gravitációs összetevőként viselkedik, befolyásolva a galaxisok forgását anélkül, hogy új részecskékre lenne szükség. A sötét anyag néven ismert ismeretlen anyagot azért vezették be, hogy megmagyarázzák, miért forognak a galaxisok gyorsabban, mint azt a látható tömegük indokolná. Az információs képben ez az extra vonzóerő nem láthatatlan részecskékből származik, hanem abból, hogy a téridő rögzítette a kölcsönhatások hosszú történetét. Azok a régiók, ahol több lenyomat halmozódott fel, erősebben reagálnak a mozgásra, hatékonyan felerősítve a gravitációt. A csillagok nem azért keringenek gyorsabban, mert több a tömeg, hanem mert a téridő, amelyben mozognak, nehezebb információs memóriát hordoz.
Vajon tesztelhető-e valaha ez az elmélet? Az idővel kapcsolatos ötleteket gyakran vádolják azzal, hogy inkább filozófiaiak, mint tudományosak. Az információs megközelítés azonban konkrét jóslatokat tesz. A fekete lyukak természetes tesztkörnyezetet biztosítanak. Ebben a keretrendszerben az információ nem semmisül meg a fekete lyukban, hanem rögzítődik a téridőben, mielőtt átlépné az eseményhorizontot. Ahogy a fekete lyuk Hawking-sugárzás útján párolog, az összegyűlt információs rekord nem tűnik el, hanem befolyásolja a sugárzás szerkezetét. Ez a sugárzás tehát nem tökéletesen véletlenszerű, hanem hordozza a fekete lyuk történetének jeleit. Bár ezek észlelése meghaladja a jelenlegi technológiát, világos célt ad a jövőbeli kutatásoknak.
Ugyanezek az elvek sokkal kisebb, kontrollált rendszerekben is vizsgálhatók. A kvantumszámítógépes kísérletekben a qubiteket véges kapacitású információs cellákként kezelhetjük. A kutatók kimutatták, hogy még ha az alapvető kvantumegyenletek visszafordíthatók is, az információ rögzítésének és terjedésének módja létrehozhat egy effektív időnyilat a laboratóriumban. Ezek a kísérletek lehetővé teszik a fizikusok számára, hogy teszteljék, hogyan korlátozza az információtárolás a visszafordíthatóságot, anélkül, hogy asztrofizikai rendszerekre lenne szükségük. Ha ez a megközelítés helyes, akkor az idő nyila végső soron minden kölcsönhatásra visszavezethető, nem csak a gravitációra.
Ezek az elképzelések nem váltják fel a relativitáselméletet vagy a kvantummechanikát. Hétköznapi körülmények között az információs idő szorosan követi az órák által mért időt. A különbség ott jelentkezik, ahol a hagyományos leírások kudarcot vallanak. A fekete lyukak horizontja közelében vagy az univerzum legkorábbi pillanataiban az idő mint sima, külső koordináta kétértelművé válik. Az információs idő viszont jól meghatározott marad, amíg kölcsönhatások történnek és információ rögzül.
Mindez felveti a kérdést: mi is az idő valójában? Ez a szemléletváltás átkeretezi a vitát. Többé nem az a kérdés, hogy az időt alapvető összetevőként kell-e feltételezni, hanem az, hogy egy mélyebb folyamat tükröződése-e. Ebben a nézetben az idő nyila természetes módon emelkedik ki a fizikai kölcsönhatásokból.
Az idő tehát nem egy titokzatos háttérparaméter, hanem olyasvalami, amit az univerzum belsőleg generál a saját dinamikája révén. Nem alapvető része a valóságnak, hanem alapvetőbb összetevőkből, például információból emelkedik ki. Hogy ez a keretrendszer lesz-e a végső válasz vagy csak egy lépcsőfok, még elválik, de már most lenyűgöző változást sugall. Az univerzum nem egyszerűen az időben létezik; az idő olyasvalami, amit az univerzum folyamatosan önmagába ír.
(1) - https://theconversation.com/is-time-a-fundamental
