Je čas iluze? Opravdu se v čase můžeme pohybovat jen jedním směrem?
Čas protéká realitou kolem nás. Spoluvytváří časoprostor a je všudypřítomný, na každém místě a v každém okamžiku. Současně jde ovšem o jeden z nejvíc komplikovaných fenoménů ve vesmíru.
Vědci se již dlouho snaží vysvětlit, kde se vlastně čas bere a jaký měl v průběhu historie vesmíru osud. Jeho plynutí směrem z minulosti do budoucnosti utváří naše chápání kosmu a celé reality, v níž žijeme. Poslední dobou se objevují zajímavé nápady, které vrhají na jeho koncept nové světlo. Díky Einsteinově obecné relativitě pracujeme s časem jako se součástí časoprostorového kontinua. Jeho plynutí je stálé, současně ale víme, že v extrémních situacích se může z našeho pohledu měnit – například zpomalovat či zrychlovat.
Americký teoretický fyzik a popularizátor vědy Sean Carroll z Johns Hopkins University se tématu věnuje ve své knize From Eternity to Here z roku 2010. Podle něj čas ve skutečnosti neznamená až takovou záhadu. Pro Isaaca Newtona byly prostor i čas absolutní. V takovém pojetí čas funguje jako nálepka na události dějící se po sobě, tak trochu jako když se očíslují stránky v knize. Albert Einstein vnímal realitu jako časoprostor a podle Carrolla je v daném chápání ve skutečnosti jedno, jak pozorovatel rozděluje časoprostor na čas a prostor. Různí lidé to dělají různě a pravdu mají všichni. Každopádně platí, že se v každém pojetí časoprostoru odehrává sled momentů v čase.
Kosmický rychlostní limit
Projevy relativity, které popisuje ve své teorii Einstein, se z určité části odvíjejí od existence oficiálně nepřekročitelného rychlostního limitu čili rychlosti světla. Souvisí s tím i fakt, že v obecné relativitě je zkušenost každého pozorovatele s konkrétním momentem v čase jiná a záleží na jeho pozici a pohybu v prostoru. Limit rychlosti světla rovněž pomáhá společně s časem chápat příčinu a následek. Dřívější události mohou ovlivnit ty, které následují po nich, ale ne naopak. Jeden objekt či událost přitom mohou mít vliv na jiné pouze v případě, že se mezi nimi přenese určitý signál, ať už se jedná o cokoliv.
Vzhledem k omezené rychlosti světla je však omezená i oblast v minulosti, která může ovlivnit konkrétní bod v budoucnosti. Fyzici takovou situaci přirovnávají ke světelnému kuželu – jako když posvítíme baterkou z bodu v současnosti a její záře, jež odpovídá limitu danému rychlostí světla, vymezí oblast časoprostoru v minulosti, která je přinejmenším teoreticky schopná ovlivnit daný bod v současnosti. Vztáhneme-li uvedenou metaforu na pozorování vesmíru, mohou se kolem lokality vymezené pomyslnou září baterky směřující z přítomnosti do minulosti nacházet nesmírně rozsáhlé části kosmu, o nichž se zřejmě nic nedozvíme a které naopak nemohly ovlivnit náš bod v přítomnosti.
Dříve a později
Co tedy přesně znamená „dříve“ a „později“? Základní součástí našeho chápání času je, že putujeme realitou po jednosměrné cestě z minulosti do budoucnosti, jak popisuje Carroll. V prostoru jsou všechny směry typicky rovnocenné. V případě času se však dva směry, jimiž disponuje, velmi odlišují a my se můžeme pohybovat jen jediným z nich. Daný koncept se obvykle nazývá „šipka času“, přičemž se její směr odvozuje od entropie a zákonů termodynamiky, které popisují chování tepla a energie ve vesmíru.
Termodynamika se rozvinula v 18. a 19. století, když se tehdejší vědci a inženýři snažili pochopit fungování parního stroje a dalších zázraků průmyslové revoluce. Druhý termodynamický zákon říká, že množství využitelné energie v každém uzavřeném systému v čase nevyhnutelně klesá a entropie systému narůstá. Snižuje se tedy jeho schopnost konat práci.
Šálek horkého čaje
Entropie vyjadřuje neuspořádanost systému, včetně samotného vesmíru. Umístíte-li například šálek právě uvařeného čaje do uzavřeného boxu a nějakou dobu ho tam necháte, teplo z nápoje ohřeje okolní vzduch a v relativně uspořádaném systému naroste entropie. V boxu se vytvoří vlažné prostředí a postupně bude vychládat. Nezvratný sklon entropie k růstu zajistí, že se vlažný čaj za normálních okolností nikdy sám neohřeje samovolným „nasátím“ tepla z okolního vzduchu zpátky do šálku.
Na entropii záleží, protože vesmír je dle našich poznatků uzavřeným systémem. Když obsah šálku časem vystydne, dá se opět ohřát, třeba v mikrovlnné troubě. Kosmos však podle všeho žádnou energii z okolí získat nemůže. Během dalších bilionů let, které ho zřejmě čekají, tak bude postupně vychládat až do fáze tzv. tepelné smrti. Veškerá dostupná energie se vyčerpá, změní se v odpadní teplo a vesmír dosáhne termodynamické rovnováhy.
Pod diktátem entropie
Vědci se obvykle domnívají, že právě zvyšování entropie určuje směr šipky času. Podle Carrolla je čas daný jednoduše tím, že na počátku vesmíru byla entropie malá a postupně narůstá. V jeho pojetí neexistuje žádná „síla“, která by kosmos tlačila z minulosti do budoucnosti. Jednotlivé momenty se liší tím, že nižší entropie znamená „dříve“, zatímco vyšší určuje „později.“ Carroll v tom spatřuje odpověď na otázku, proč si pamatujeme minulost a svými volbami ovlivňujeme budoucnost, nikoliv naopak.
Naše vnímání toku času přitom vzniká tím, jak se pohybujeme realitou ve směru narůstající entropie. Italský teoretický fyzik Carlo Rovelli pak ve své knize On the Order of Time z roku 2017 naznačuje, že i samotná entropie tvoří produkt našeho vnímání – a na submikroskopické škále, tedy v hájemství kvantové fyziky, je podle něj vlastně nepostřehnutelná. Děje v kvantovém světě se od naší každodenní zkušenosti velmi liší, přičemž síly, jež ovládají interakce mezi částicemi, fyzici obvykle popisují jako symetrické. Jinak řečeno mohou děje v kvantovém světě probíhat dopředu i dozadu v čase a žádný směr jeho toku tam nemá přednost. Stačí se podívat dost zblízka, a šipka času zmizí.
Smyčky času
Rovelli věří, že povahu našeho vesmíru nejlépe popisuje teorie smyčkové kvantové gravitace, která má ambici stát se teorií všeho a usmířit fyziku kvantového mikrosvěta s obecnou relativitou a gravitací velkých prostorových měřítek kosmu. Časoprostor lze podle ní rozdělit na kvanta neboli smyčky, tedy nejmenší možné jednotky prostoru a času. V jejím pojetí utváří realita nezměrnou síť „událostí“, což jsou interakce mezi vlnovými funkcemi popisujícími jak částice, tak kvanta časoprostoru. Takové události přitom nejsou nijak řazené v čase. Nárůst entropie a s ním spojená šipka času vznikají podle Rovelliho tím, jak vnímáme dění optikou našeho makroskopického měřítka pro realitu.
Smyčková kvantová gravitace není ještě ani zdaleka „doladěná“. V současné době se s konceptem narůstající entropie ve vesmíru shodne na pojetí času jako emergentního jevu, který se odvíjí z chování kosmu na velkých škálách, nikoliv z dějů v nejmenším měřítku. Uvedený pohled sdílí většina dnešních kosmologů a teoretických fyziků, ale najdou se i výjimky.
Například Richard Muller, emeritní profesor fyziky na University of California v Berkeley, ve své knize Now: The Physics of Time z roku 2016 uvádí, že šipka času představuje reálný fenomén související s faktem, že s růstem vesmíru přibývá i čas.
Pokud má však pravdu většina a čas je opravdu emergentní jev – tedy samovolně se vynořující z jednodušších vztahů – zůstává otázkou, z čeho se vlastně vynořuje. Jak v takovém případě přišel ke svým vlastnostem a začal plynout? Zmíněné otazníky zaměstnávaly na sklonku života i samotného Stephena Hawkinga. Jeho dlouholetý spolupracovník, belgický kosmolog Thomas Hertog z Katholieke Universiteit v Lovani, o tom v roce 2023 napsal knihu On the Origin of Time a objasnil v ní vývoj teorie kvantové kosmologie i snahy o model kvantové vlnové funkce celého vesmíru.
Bublající mnohovesmír
Pokusy dosáhnout teorie všeho se často „zadrhnou“ u snahy vysvětlit fakt, že se vlastnosti našeho kosmu – klíčové konstanty, základní fyzikální síly, a dokonce i počet prostorových dimenzí – zdají být nastaveny vhodně pro vznik vesmíru, v němž mohou existovat hvězdy, planety a život. Populární vysvětlení dané záhady zahrnuje mnohovesmír, v němž náš kosmos reprezentuje pouze jeden z mnoha, jednu bublinu v bezbřehém močálu reality. V takovém mnohovesmíru neustále vznikají bubliny nových a nových vesmírů, s různými vlastnostmi. Není potom divu, že žijeme v kosmu, kde se shodou okolností setkaly všechny nezbytné předpoklady, abychom se mohli zrodit a pozorovat okolní svět. V mnoha dalších vesmírech k tomu nedošlo, a tudíž tam ani neexistují bytosti, jež by uvedený problém řešily.
Vlnová funkce vesmíru
Kvantová kosmologie vysvětluje „ideální“ podmínky našeho vesmíru odlišně. Podle ní žádná z dotyčných vlastností, bez jejichž přesného nastavení bychom tu dnes nebyli, nevznikla na samotném počátku kosmu. Podléhaly kvantové nejistotě jako vše ostatní, ale záhy po Velkém třesku se rychle vyvíjely do současných hodnot. Čas se objevil emergentně. A pokud je daná představa správná, tak to mimo jiné znamená, že ačkoliv můžeme sledovat historii vesmíru do minulosti až k jeho vzniku zhruba před 13,8 milionu let, nelze určit žádný konkrétní okamžik zrodu času.
Co se týká vlnové funkce celého kosmu, s níž kvantová kosmologie počítá, spoléhají se vědci na holografický princip. Podle něj je informace o objektu s určitými dimenzemi zakódovaná na „ploše“ takového objektu o méně dimenzích. Připomíná to běžné hologramy, kdy je na 2D ploše zakódovaná informace o 3D objektu a je nutné ji určitým způsobem osvítit, aby se hologram objevil. Hawking v 70. letech využil holografický princip při studiu černých děr, zatímco kvantová kosmologie tak činí s celým vesmírem.
Zamrzlý čas a věčný kosmos
Když Hertog s Hawkingem použili holografický model, aby rekonstruovali minulost dimenze času v rámci časoprostoru, narazili na určité komplikace. Jakmile se dostali těsně k Velkému třesku, dimenzi času ztratili. V extrémních podmínkách právě zrozeného vesmíru se podle nich čas pohybuje pomaleji a při pohledu ze současnosti zpomaluje o to víc, čím blíž k Velkému třesku se daný okamžik nachází. Dimenze času se stále víc podobá dimenzi prostorové a těsně po Velkém třesku se čas už vůbec nepohybuje tak, jak ho známe dnes.
Podle Hertoga to znamená, že k vysvětlení zvláštní povahy našeho „přesně nastaveného“ kosmu nemusíme zavádět mnohovesmír. Ten v kvantové kosmologii nedává smysl, protože čas začíná až po Velkém třesku. Badatel nezastírá potěšení, neboť koncept mnohovesmíru pro něj představuje spoustu obtížně řešitelných paradoxů. Rozmrznutí času, jak ho popisuje spolu s Hawkingem, se týká doby, kdy kosmos dle našeho vnímání časové linie existoval jen naprosto titěrný okamžik a celý by se vešel do prostoru menšího než atom.
Podle Hertoga je jasné, že pokud čas na počátku vesmíru tvořil spíš prostorovou dimenzi, ztratily veškerý smysl také příčina a následek. Jestliže byl kosmos zamrzlý v nepohyblivém čase, mohl tak v podstatě existovat „celou věčnost“ – i když je v takovém případě velmi složité se vyjadřovat o čase, protože se to zcela vymyká naší zkušenosti.
Hertogova a Hawkingova kvantová kosmologie v tuto chvíli zůstává jen jednou z řady možných teorií. Pokud by se však prokázalo, že vesmír funguje podle holografického principu – například díky pozorování záření a časoprostoru ve velmi vzdálených oblastech kosmu – mohla by kvantová kosmologie odstartovat novou vzrušující éru teoretické fyziky. Šlo by o další odkaz Stephena Hawkinga a také o dlouho hledané vysvětlení skutečné povahy času.
