Какво представлява времето: фактите, за които може би не сме се замисляли

То постоянно не ни стига. Много хора съжаляват, че денят има само 24 часа. Но какво представлява времето? Откъде идва и как се определя, по какви закони съществува и съществува ли изобщо? Можем ли да дадем същностно определение на времето?

Времето може да не съвпада

Няма единна дефиниция за времето, въпреки че всеки е сигурен, че то съществува. Ние не можем да да дадем същностна дефиниция какво представлява времето, а единствено знаем, че можем да го измерим. Смятаме, че часовниците (и другите времеизмервателни уреди) измерват времето, а всъщност те отчитат периодично повтарящи се процеси, например колебанията на махалото. Тези периоди формират измереното време.

Съществува биологично време, което тече в нас и този часовник постоянно тиктака, измервайки нашето пребиваване на този свят. Съществува и астрономическо време. Съществува и време, което се отчита от нашето съзнание, тоест такова, чрез което ние оценяваме и чувстваме времето. Сигурно много от вас им се е случвало в даден момент да чувстват, че са на възраст, различна от реалната или пък да загубят ориентация за времето при определена ситуация.

Отначало времето е било Голямо

Представите за времето са се развивали успоредно с това как хората са осъзнавали повторението на някои процеси. По изгревите и залезите хората са се научили да броят дните, след това през промените в поведението на Слънцето и звездите и едновременно с това и промяната на сезоните, започнали да отчитата годините. Оказало се, че и Луната определя важни периоди от време. Така хората започнали да броят месеците, а по-късно започнали да правят календари. Изготвянето на календар може да се определи като решаване на една от първите научни задачи: отначало е трябвало да се проведат “експериментални” наблюдения за определянето на дадените периоди, а след това на тяхна база да се изготви теоретичен модел.

С развитието на науката ставало все по-ясно, че историята на човечеството е само малка част от историята на планетата и срокът от няколкостотин хиляди години от както съществува Homo Sapiens (около 200 000 години) и съществуването на рода Homo (2,5 милиона години) е много кратък в сравнение с този на съществуване на Земята (4,54 милиарда години) и още по-кратък в сравнение със съществуването на Вселената (13,8 милиарда години). Първите следи от органичен живот на нашата планета са датирани на около 3,5 милиарда години.

За да придобиете по-реална представа как са свързани милионите и милиардите години , например в секунди, един милион секунди са 11,5 дни, докато един милиард секунди са почти 32 години. Добре дошли в милиардите години!

След това се появява Малкото време

В Древния свят и през Средновековието хората не са обръщали внимание на минутите. Но когато Галилей започва да прави физически експерименти, за да изясни законите на движението, му се наложило да измерва кратки интервали от време. Тъй като е нямал на разположение хронометър или някакъв подобен уред, на него му се налагало да използва собствения си пулс или да брои падащите капки вода.

По всяка вероятност в древния свят са можели да направят добри часовници, но не са, тъй като просто са нямали нужда от тях. Точни часовници са започнали да се появяват по време на Великите географски открития. Корабите са плавали в открито море и за да определят точното си месторазположение, те за определяне на географската ширина използвали положението на Слънцето, а за определяне на географската дължина им е бил необходим часовник.

Например корабният хронометър на Харисън през 18 век е имал отклонение само 15 секунди по време на петмесечно пътуване. Това се оказало достатъчно, за да се определят с достатъчна точност координатите за глобус с точност до няколко мили.

В средата на 20 век се появяват атомните часовници – най-точните до момента. В качеството на периодичен процес те използват собствени колебания, свързани с процеси, протичащи на ниво атоми или молекули. От 1967 г. международната система от единици SI дефинира една секунда като 9 192 631 770 периода на електромагнитно излъчване, което възниква по време на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома цезий-133 при температура от нула Келвина (К).

Времето върви в една посока

Векторът на времето в класическата, но не и в квантовата физика, е насочен в една посока от миналото през настоящето към бъдещето. Важно свойство на времето е връзката му с причинно-следствената връзка. Всичко, което се случва в света, който наблюдаваме, има причина, а причината винаги се появява във времето по-рано от следствието.

В същото време, от гледна точка на квантовата физика, всички уравнения са симетрични при обръщане на времето – законите на природата се запазват. Но ние не виждаме това. Например, чаша пада от масата и се чупи. Фрагментите от пода никога не отскачат обратно и не се събират отново в чашата. За това защо е така ясен отговор няма. Може би отговорът се крие в колосалната сложност на нашата материя и процесите, протичащи в нея.

Времето и събитията са относителни

Времето е свързано с пространството и то в зависимост от скоростта. Двама наблюдатели, движещи се един спрямо друг, могат по различен начин да си представят реда на събитията, случващи се в различните точки.

От своя страна пространството и времето си “говорят” с материята по определен начин . Масата и енергията огъват пространство-времето и всяко масивно тяло прави „вдлъбнатина“ в пространствено-времевия континуум. Именно заради изкривяването на пространството и забавянето на времето, най-бързата от планетите в Слънчевата система, Меркурий, се върти около Слънцето по различен начин от останалите планети. След появата на Общата теория на относителността тази разлика била обяснена с прекалената близост на планетата до Слънцето и изкривяването, което то причинява.

Близо до Слънцето този ефект е слаб, но измерим, но в близост до черни дупки той става толкова силен, че движението на космическите тела там е абсолютно различно от движението на планетите в нашата Слънчева система.

Като цяло това, което възприемаме като ефект на гравитацията, е изкривяването на пространството и забавянето на времето, причинено от наличието на материя. За да забавим значително времето, ни трябва обект с много силна гравитация и именно черните дупки са области от космоса, където гравитацията е толкова силна, че не позволява дори на светлината да излезе. Повърхността, която ограничава тази област от пространството, се нарича хоризонт на събитията.

Тоест да се разглежда отделно времето е възможно само при слабо гравитационно поле или при ниски скорости. От нашата гледна точка астронавт никога няма да пресече хоризонта на събитията на черна дупка. Неговият космически кораб ще спре и за нас времето там ще е спряло, а астронавтът ще живее безкрайно дълго в това разтегнато забавено време. При това от негова гледна точка, астронавтът свободно ще пада към центъра на черната дупка и тъй като в нейният център съществува сингулярност, където приливните сили нарастват до безкрайност, той ще бъде разкъсан. И се оказва, че от наша гледна точка астронавтът ще е жив, но от собствената си гледна точка той вече ще е мъртъв.

Началото на времето или Вселената с размерите на ябълка

При такава плътност на материята времето сякаш престава да съществува. За да говорим за време означава да имаме начин да го измерваме. А това изисква наличието на някакъв физически процес. Оказва се, че съществува свръхмалък мащаб, в който не се побират никакви физически процеси – времето на Планк.

Нищо в света не може да бъде по-кратко от 5,39 х 10 ⁻⁴⁴ секунди. Това е безумно кратко време, но по-малко няма и не съществуват физични процеси, които да протичат по-бързо. Квантовата механика не позволява това.

Наблюдавайки отдалечаващите се галактики и естеството на реликтовото излъчване, запълващо космоса, учените установиха, че цялата наблюдавана вселена някога е заемала много малък обем. Да кажем с размер на ябълка, а малко преди това – на череша. Така правейки мисловен експеримент ние можем да се върнем назад и да стигнем до тези планковски свръхвисоки плътности на материята и енергията, а с това и до въпроса за началото на времето.

Да говорим за време, трябва да имаме някаква процедура за измерването му. За това какво е било преди Големия взрив, такава е неизвестна. Но като се започне от Големия взрив се появяват частици и полета и следователно от гледна точка на физиката е логично да се каже, че времето се е появило именно в момента на Големия взрив.

Времето в паралелните вселени не е едно и също

За различни наблюдатели времето също може да се “разцепва”, ако те се озоват в области, които никога и по никакъв начин не могат да бъдат свързани помежду си. Такива области често ги наричат паралелни вселени. Ако там, в тези други вселени, има време, то по никакъв начин не е свързано с нашето и не съществува начин да бъде сравнявано.

Във Вселената съществуват достатъчно силно гравитационно свързани области от типа на нашата галактика. Разбира се, в рамките на такива области можем прекрасно да използваме обичайните, общи понятия за време. Но ако между някои области на Вселената се загуби връзката, например чрез светлината или физически взаимодействия, то тогава ние, съответно, няма да можем да кажем нищо за протичането на времето там.

Всичко има своя край и времето също

С развитието на космологията ние придобиваме все по-ясна представа какво в крайна сметка ще се случи с обкръжаващата ни Вселена. Съдбата и вероятно е да остане почти празна, когато материята се разпадне на атоми и кварки, летящи с все по-голяма скорост. В такава Вселена не само ще бъде скучно, но и времето в крайна сметка ще изчезне.

Тоест ако обсъждаме ситуация, в която всичко продължава да се разширява експоненциално и са останали само частици, които са се разпръснали толкова далеч, че не си влияят помежду си, то тогава не е ясно защо трябва въвеждаме време. В този случай няма да има какво да определяме, тъй като няма да има промени. Значението на времето изчезва с опростяването на системата.

В древността времето се е възприемало като спокойно и непроменливо, едно за всички. Как всичко се е променило от тогава! И може би тук е най-подходяща фразата на един герой от компютърната игра „Prince of Persia: The Sands of Time“:

„Повечето хора вярват, че времето е река, която винаги тече в една посока. Но аз видях истинското лице на времето и мога да ви уверя, че грешат. Времето е бушуващ океан.“