Proč jde čas jen jedním směrem?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Instagram, Threads, Bluesky a zde na Médiu.

Odpověď na otázku je – ano. Čas opravdu jde jen jedním směrem, z minulosti do budoucnosti. Ale že tomu tak opravdu je, nebylo a vlastně stále není jednoduché nahlédnout [1]. My to zkusíme takto.

Začněme příkladem, ve kterém hrajeme kulečník. Když tágem udeříme do koule, její pohyb po stole se bude řídit zákony mechaniky. To znamená, že ze znalosti výsledné síly určíme zrychlení, ze zrychlení rychlost a z rychlosti pozici koule v každém časovém okamžiku. Všechny pozice koule v čase pak nazýváme trajektorií (drahou) pohybu koule [2].

A teď, co když tuto trajektorii zachytíme na kameru a někomu, kdo u kulečníkového stolu nebyl, pustíme video nejprve normálně a pak pozpátku (na videu samozřejmě není úder tágem)? Dobrovolník nebude schopen říci, které video je které. Jinými slovy, nebude schopen říci, ve kterém videu běží čas normálně, do budoucnosti, a ve kterém čas běží obráceně, do minulosti.

Experiment, který jsme si právě popsali, souvisí s tím, že mechanické zákony jsou vůči času symetrické [3]. Což vede k tomu, že nejsme schopni říci, kterým směrem čas běží, neboli kam ukazuje šipka času.

To se kompletně změnilo s příchodem termodynamiky v 19. století. V termodynamice máme veličinu, které říkáme entropie. A je to právě entropie, která odhalí směr šipky času [4]. Jak?

Zkusme původní experiment trochu pozměnit. Kulečníkovou kouli nahradíme vajíčkem, které upustíme ze stolu a na kameru nahrajeme, jak se rozplácne o podlahu. Když tento videozáznam opět pustíme dobrovolníkovi, normálně i pozpátku, nebude mít dobrovolník nejmenší problém s identifikací, které video je které.

Ostatně, copak jste někdy někdo viděli rozbité vajíčko, jak se samovolně složí a vyskočí ze země?

Vtip je v tom, že mechanické zákony jsou v čase symetrické (nelze rozlišit minulost a budoucnost), a tak zdánlivě nic nebrání tomu, aby se vajíčko zase složilo. Přesto ze zkušenosti víme, že se tak nestane. A důvodem je právě entropie.

Neporušené vajíčko má malou entropii, což souvisí s tím, že takové vajíčko má velmi přesně danou strukturu. Když se vajíčko rozbije, jeho struktura se poruší. Jelikož existuje mnoho možností, jak strukturu porušit, má tento stav – rozbité vajíčko – vysokou entropii.

A vzhledem k tomu, že je velmi nepravděpodobné, že se těchto mnoho možností sjednotí opět do jedné (nerozbité vajíčko s přesnou strukturou), tedy že se entropie spontánně sníží, dostáváme směr šipky času.

Když si to shrneme, je to právě entropie, která „rozbije“ symetrickou povahu času, tak jak ji známe z mechaniky, a tím ukáže, kde je budoucnost a kde minulost. Budoucnosti vždy odpovídá stav s vyšší entropií (rozbité vajíčko).

Mimochodem, otázka času není ve fyzice plně uzavřena. Jestli vám nedělá problém angličtina, můžeme vřele doporučit mini sérii na blogu Dr. Axela Schilda, který se těmto otázkám profesně věnuje, a navíc o tom i poutavě píše [5].

A pro opravdové fajnšmekry tu máme ještě problém s tzv. CPT symetrií (Charge, Parity, and Time – náboj, parita a čas). Ve zkratce jde o to, že fundamentální zákony by měly být symetrické vůči posunu v čase. Ale ne vždy jsou!

Experimenty s B-mesony (jedna z mnoha subatomárních částic) nedávno ukázaly, že pro tyto částice hraje rozdíl, jestli se jejich přeměny dějí po, nebo proti směru toku času [6]. A tak nás nutí se znovu zamyslet nad významem pojmů jako je minulost a budoucnost.

Ale než si to fyzikové ujasní, my se držme entropie, která definuje šipku času tak, jak ji vnímáme my, tedy že včera bylo a zítra teprve bude.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek

Ing. Vít Svoboda, Dr. sc. ETH Zürich, JILA — CU Boulder & NIST

Odbornou revizi poskytl Benoit Lefebvre, Ph.D., ELI European Research Infrastructure Consortium

Odpověď editoval Luděk Vašta

[1] https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.71.S346

[2] https://cs.wikipedia.org/wiki/Trajektorie

[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167278997001991

[4] https://link.springer.com/article/10.1023/A:1021026930129

[5] https://tinttaoc.net/science/tip/tip-1-classical-mechanics-and-newtonian-time/

[6] https://physicsworld.com/a/babar-makes-first-direct-measurement-of-time-reversal-violation/

Projekt Zeptej se vědce propojuje vědeckou a nevědeckou veřejnost. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na webu nebo sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram či Bluesky. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422