Jedna od najvećih misterija našeg postojanja je i jedna od najvećih misterija fizike: vreme. Vreme doživljavamo kao prolazno, sa posebnim trenutkom koji nazivamo „sada“. Sada čitate ovaj tekst koji se pita da li prošlost postoji, pre pola sata ste radili nešto drugo. Šta god da ste uradili, nema načina da to promenite. A šta ćete uraditi za pola sata zavisi od vas. Barem tako doživljavamo vreme.
Ali ono što nam fizika govori o vremenu veoma se razlikuje od naše percepcije. Osoba koja je ovo shvatila nije niko drugi do Albert Ajnštajn. Znam. Opet onaj momak. Ispostavilo se da je nekako znao sve. Šta nas je Ajnštajn naučio o tome da li prošlost, sadašnjost i budućnost zapravo postoje? To je ono o čemu ćemo danas pričati.
Sekunda za tebe, mene, i oblake
O vremenu razmišljamo kao o nečemu što funkcioniše isto za sve i svaki objekat. Ako jedna sekunda prođe za mene, jedna sekunda za tebe, a jedna sekunda za oblake iznad. Ovo čini vreme univerzalnim parametrom. Ovaj parametar označava koliko vremena prolazi i šta svi podrazumevamo pod „sada“.
Herman Minkovski je prvi primetio da to možda nije sasvim tačno. Primetio je da Maksvelove jednačine elektrodinamike imaju mnogo više smisla ako se vreme tretira kao dimenzija, a ne kao parametar. Baš kao što se lopta ne menja ako rotirate jedan pravac prostora u drugi, Maksvelove jednačine se ne menjaju ako rotirate jedan pravac prostora u vreme.
Dakle, rekao je Minkovski, mi samo kombinujemo prostor sa vremenom u 4-dimenzionalni prostor-vreme, a onda možemo da rotiramo prostor u vreme kao što možemo da rotiramo dva pravca prostora jedan u drugi. I to prirodno objašnjava zašto Maksvelove jednačine imaju simetriju koju imaju. To nema nikakve veze sa električnim i magnetnim poljima, već dolazi od samih svojstava prostora i vremena.
Ne mogu da nacrtam ni cvet, a kamoli četiri dimenzije, ali mogu samo da upravljam dvema pravim linijama, jednom za vreme, a drugom za najmanje jednu dimenziju prostora. Ovo se zove prostor-vreme dijagram. Ako samo stojite mirno, onda je vaše kretanje na takvom dijagramu ravna vertikalna linija. Ako se krećete konstantnom brzinom, vaše kretanje je prava linija nagnuta pod nekim uglom. Dakle, ako promenite brzinu, rotirate se u prostor-vremenu. Maksimalna brzina kojom se možete kretati je brzina svetlosti, koja se po konvenciji obično crta pod uglom od 45 stepeni.
Pravac kroz vreme
U svemiru možemo ići napred-nazad, levo desno ili gore dole. Vremenom možemo samo da idemo napred, ne možemo da skrenemo, a nema ni prilaza za nezgodna skretanja u tri tačke. Dakle, vreme se još uvek u izvesnom pogledu razlikuje od prostora. Ali sada kada je i vreme dimenzija, jasno je da je to samo oznaka za koordinate, tu nema ništa univerzalno. Postoji mnogo načina za postavljanje etiketa na dvodimenzionalni prostor jer možete odabrati svoje ose kako želite. Isti je slučaj i sada u prostor-vremenu. Jednom kada unesete vreme u dimenziju, oznake na njoj ne znače mnogo. Dakle, o čemu je onda vreme o kome pričamo? Šta uopšte znači da je vreme dimenzija? Da li postoje druge dimenzije? Natprirodne? To bi moglo objasniti čudne zvukove koje čujete noću? Ne. To je poseban problem. Da li je “prošlost” samo vreme unazad?
Albert Ajnštajn je bio taj koji je shvatio šta ovo znači. Ako i to želimo da razumemo, potrebne su nam četiri pretpostavke. Brzina svetlosti u vakuumu je konačna, uvek je ista, ništa ne može ići brže od brzine svetlosti, a gledišta svih posmatrača su podjednako važeća. Ovo je formiralo osnovu Ajnštajnove teorije specijalne relativnosti. Oh, a takođe, posmatrači ne moraju da postoje. Mislim, ovo je teorijska fizika, tako da govorimo o teorijskim posmatračima, u osnovi. Dakle, ako postoji posmatrač sa određenom tačkom gledišta, onda je to gledište jednako važeće kao i vaše.
Posmatrač?
Ko ili šta je posmatrač? Da li je mrav posmatrač? Drvo? Šta kažeš na delfina? Šta treba da posmatrate da biste zaslužili da budete nazvani posmatračem i šta morate da posmatrate? Da bi vam neko “dozvolio” da se zapitate šta je to prošlost, ili šta je to sada. Verovali ili ne, u naučnoj literaturi se o tome vodi prilično diskusija. Zaobići ćemo ovu, hm, zanimljivu diskusiju i upotrebićemo reč „posmatrač“ na isti način kao što je to uradio Ajnštajn, a to je koordinatni sistem. Vidite, to je koordinatni sistem koji bi teoretski posmatrač mogao da koristi, delfin ili drugi. Da, možda nije baš ono što FBI misli da je posmatrač, ali ako je bilo dovoljno dobro za Ajnštajna, biće dovoljno dobro i za nas. Dakle, Ajnštajnova pretpostavka u osnovi znači da svaki koordinatni sistem treba da bude jednako dobar kao bilo koji drugi za opisivanje fizičke stvarnosti.
Ove četiri pretpostavke na prvi pogled zvuče prilično nevino, ali imaju duboke posledice. Počnimo sa prvim i trećim: brzina svetlosti je konačna i ništa ne ide brže od svetlosti. Verovatno gledate ovaj video na ekranu, telefonu ili laptopu. Da li je ekran sada tu? Osim ako niste iz budućnosti koji gledate ovaj video kao hologram u svojoj svemirskoj kući, pretpostavljam da je odgovor da. Ali fizičar može istaći da vi zapravo ne znate. Jer svetlost koja se sada emituje sa ekrana još nije stigla do vas. Takođe, ako ste iz budućnosti i gledate ovo kao hologram, obavezno me pogledajte sa desne strane. To je moja dobra strana.
Možda držite telefon u ruci, ali nervni signali su smešno spori u poređenju sa svetlošću. Ako niste mogli da vidite svoju ruku i neko vam je oteo telefon, trebalo bi nekoliko mikrosekundi da informacija o tome da je telefon nestao uopšte stigne u vaš mozak. Pa kako znate da je vaš telefon sada tu?
Jedan od načina da odgovorite na ovo pitanje je da kažete, pa, ne znate, i zaista ne znate da sada postoji bilo šta osim vaših sopstvenih misli. Mislim, dakle jesam, kako je to sažeo Dekart. Ovo nije pogrešno – vratiću se na ovo kasnije – ali to nije način na koji normalni ljudi koriste reč „sada“. Stalno pričamo o stvarima koje se dešavaju „sada“ i nikada ne brinemo o tome koliko je vremena potrebno svetlosti da putuje. Zašto se jednostavno ne možemo dogovoriti oko nekog „sada“ i nastaviti s tim? Mislim, setite se tog prostorno-vremenskog dijagrama. Jasno je da je ova ravna linija „sada“, pa hajde da se složimo oko ovoga i nastavimo dalje.
Ajnštajnov misaoni eksperiment
U redu, ali ako ovo treba da bude fizika, a ne samo dijagram, morate da smislite operativni postupak da odredite šta podrazumevamo pod „sada“. Morate pronaći način da to izmerite. Ajnštajn je upravo to uradio u onome što je nazvao Gedankeneksperiment, „misaoni eksperiment”.
Rekao je, pretpostavimo da postavite ogledalo sa vaše desne strane, a jedno sa leve strane. Vi i ogledala ste na fiksnoj udaljenosti jedno od drugog, tako da u prostorno-vremenskom dijagramu to izgleda ovako. Šaljete jedan foton levo i desno i vodite računa da vas oba fotona napuste u isto vreme. Zatim čekate da vidite da li se fotoni vraćaju u isto vreme. Ako to ne urade, vi prilagođavate svoju poziciju dok to ne urade.
Sada se setite druge Ajnštajnove pretpostavke, brzina svetlosti je uvek ista. To znači da ako možete da pošaljete fotone u oba ogledala i oni se vrate u isto vreme, onda morate biti tačno u sredini između ogledala. Poslednji korak je da kažete da tačno polovinu vremena potrebnog da se fotoni vrate, znate da se oni moraju odbijati od ogledala. Mogli biste reći „sada“ u pravom trenutku iako vas svetlost odatle još nije stigla. Izgleda da ste pronašli način da konstruišete „sada“. A prošlost?
Svemirska Alis i put u našu prošlost
Ali ovde je problem. Pretpostavimo da imate prijatelja koji leti nekom stalnom brzinom, možda u svemirskom brodu. Njeno ime je Alis, mnogo je hladnija od tebe, i nemaš pojma zašto je pristala da bude prijateljica sa tobom. Ali evo je, projuri u svom svemirskom brodu s leva na desno. Kao što smo ranije videli, na vašem dijagramu prostor-vreme, Alisa se kreće po nagnutoj pravoj liniji. Ona radi potpuno istu stvar kao i vi, postavlja ogledala sa obe strane, šalje fotone i čeka da se vrate, a onda kaže kada prođe pola vremena, to je trenutak kada fotoni udare u ogledala.
Osim što ovo očigledno nije u redu sa vaše tačke gledišta. Pošto su ogledala sa njene desne strane u pravcu njenog leta, tako da svetlosti treba duže da stigne tamo nego do ogledala sa leve, koja se kreću ka svetlosti. Rekli biste da foton koji ide levo jasno prvi udari u ogledalo jer ogledalo dolazi do njega. Iz vaše perspektive, ona jednostavno ne primećuje, jer kada se fotoni vrate u Alis, dešava se upravo suprotno. Fotonu koji dolazi sa leve strane potrebno je više vremena da se vrati, tako da se neto efekat poništava. Ono što Alis kaže da se dešava „sada“ očigledno nije ono što mislite da se dešava „sada“.
Za Alis, s druge strane, ti si onaj koji se kreće u odnosu na nju. I ona misli da je njen pojam „sada“ ispravan, a tvoj pogrešan. Pa ko je u pravu? Verovatno Alis, mogli biste reći. Zato što je mnogo hladnija od tebe. Ona ipak poseduje svemirski brod. Možda. Ali hajde da pitamo Ajnštajna.
Šta je “sada” a šta prošlost?
Ovde se pojavljuje Ajnštajnova četvrta pretpostavka. Stavovi svih posmatrača su podjednako validni. Dakle, oboje ste u pravu. Ili, drugačije rečeno, pojam „sada“ zavisi od posmatrača, on je „zavisan od posmatrača“, kako kažu fizičari. Vaše „sada“ nije isto što i moje „sada“. Ako volite tehničke termine, ovo se takođe naziva relativnost simultanosti.
Ove neusklađenosti u onome što različiti posmatrači misle da se dešava „sada“ su izuzetno male u svakodnevnom životu. One postaju primetne samo kada su relativne brzine bliske brzini svetlosti, tako da ih inače ne primećujemo. Ako ti i ja razgovaramo o tome ko je upravo sada pokucao na vrata, nećemo se pogrešno razumeti. Međutim, da smo se okretali skoro brzinom svetlosti, pominjanje „sada“ postalo bi veoma zbunjujuće.
Ovo je već prilično zapanjujuće, ali čekajte, postaje divlje. Hajde da ponovo pogledamo dijagrame prostor-vreme. Uzmimo sada bilo koja dva događaja koja nisu uzročno povezana. To samo znači da ako želite da pošaljete signal od jednog do drugog, signal bi morao da ide brže od svetlosti, tako da signalizacija od jednog do drugog nije moguća. Dijagramski ovo znači da ako povežete dva događaja, linija ima ugao manji od 45 stepeni u odnosu na horizontalu.
Prethodna konstrukcija sa ogledalima pokazuje da za bilo koja dva takva događaja uvek postoji neki posmatrač kome se ta dva događaja dešavaju u isto vreme. Samo treba da zamislite kako ogledala lete kroz događaje, a posmatrač leti direktno u sredini. I onda podešavate brzinu dok fotoni ne udare u oba događaja istovremeno.
U redu, bilo koja dva uzročno nepovezana događaja se dešavaju istovremeno za nekog posmatrača. Sada uzmite bilo koja dva događaja koja su uzročno povezana. Kao da jedeš previše sira za večeru, a onda se osećaš užasno jutro posle. Pronađite neki događaj koji nije uzročno povezan ni sa jednim. Recimo da je ovaj događaj supernova koja se pojavljuje u udaljenoj galaksiji. Uvek postoje posmatrači za koje su supernova i vaša večera od sira simultani, a postoje i posmatrači za koje su supernova i vaše jutro posle simultani.
Hajde da onda sve to spojimo. Ako vam je prijatno da kažete da nešto, bilo šta, postoji „sada” što nije ovde, onda, prema Ajnštajnovoj četvrtoj pretpostavci, to mora biti slučaj za sve posmatrače. Ali ako svi događaji za koje mislite da se dešavaju „sada” postoje i svi drugi posmatrači kažu događaje koji se dešavaju u isto vreme kada i ti događaji, onda svi događaji postoje „sada”. Drugi način da se to izrazi je da sva vremena postoje na isti način.
Ovo se zove „blok univerzum“. Samo je tamo. Ne nastaje, ne menja se. Samo sedi tamo. Kroz prošlost, sadašnjost i budućnost.
Pojam relativnosti
Ako vam je to donekle teško prihvatiti, postoji još jedna mogućnost da dosledno kombinujete pojam postojanja sa Ajnštajnovom specijalnom relativnošću. Sve što sam upravo rekao proizašlo je iz pretpostavke da ste voljni da kažete da nešto sada postoji iako to ni na koji način ne možete da vidite ili doživite. Ako ste voljni da kažete da postoje samo stvari koje su sada i ovde, onda ne dobijate blok univerzum. Ali možda je to još teže prihvatiti. Možda je dovoljno samo reći da prošlost postoji?
Druga opcija je jednostavno izmisliti pojam „postojanja“ i definisati ga kao određeni komad u prostor-vremenu za svaki trenutak u vremenu. Ovo se zove „rezanje“, ali nažalost nema nikakve veze sa picom. Ako bi to imalo bilo kakve vidljive posledice, to bi bilo u suprotnosti sa četvrtom pretpostavkom koju je izneo Ajnštajn. Dakle, to je u suprotnosti sa specijalnom relativnošću i pošto je ova teorija eksperimentalno izuzetno dobro potvrđena, to bi gotovo sigurno značilo da je ideja u sukobu sa posmatranjem. Ali ako samo želite da definišete „sada“ koje nema vidljive posledice, možete to da uradite. Mada nisam siguran zašto biste to želeli.
Kvantna mehanika ne menja ništa u vezi sa blok univerzumom jer je i dalje kompatibilna sa specijalnom relativnošću. Ažuriranje merenja talasne funkcije, o kojoj sam govorio u ovom ranijem videu, dešava se brže od brzine svetlosti. Ako bi se to moglo posmatrati, mogli biste ga koristiti da definišete pojam istovremenosti. Ali to se ne može posmatrati, tako da nema kontradikcije.
Neki ljudi tvrde da pošto je kvantna mehanika nedeterministička, budućnost ne može već postojati u blok univerzumu, i da stoga mora postojati i poseban trenutak „sada“ koji deli prošlost od budućnosti. A možda je to tako. Ali čak i da je to bio slučaj, prethodni argument i dalje važi za prošlost. Dakle, da, istina je. Koliko mi trenutno znamo, prošlost postoji na isti način kao i sadašnjost.
Povezano: Tamna materija ne postoji
