Apakah masa, dan mengapa ia bergerak maju?

Corong berbentuk loceng dengan garis grid di atasnya dan & apos; Big Bang & apos; ditulis di hujung sempit.

Kami menganggap alam semesta mempunyai garis masa, titik di mana ia bermula, hingga sekarang. Tetapi berapa banyak yang diketahui oleh ahli kosmologi moden mengenai masa? Imej melalui Alex Mittelmann /Wikimedia.


Apa itu masa?

OlehThomas Kitching,UCL

Bayangkan masa berjalan ke belakang. Orang akan bertambah muda dan bukannya lebih tua dan, setelah lama menjalani peremajaan secara beransur-ansur - tanpa mengetahui semua yang mereka tahu - mereka akan berakhir sebagai sekelip mata ibu bapa mereka. Inilah masanya seperti yang ditunjukkan dalamsebuah novel oleh penulis fiksyen sains Philip K. Dicktetapi, secara mengejutkan, arah waktu juga merupakan masalah yang ditangani oleh ahli kosmologi.


Walaupun kita menganggap bahwa waktu mempunyai arah yang ditentukan, para ahli fizik tidak: kebanyakan undang-undang semula jadi adalah 'waktu yang dapat dipulihkan' yang bermaksud ia akan berfungsi dengan baik jika waktu didefinisikan sebagai berlari ke belakang. Jadi mengapa masa selalu bergerak maju? Dan adakah ia akan selalu berlaku?

Bantu ForVM membawa anda lebih banyak artikel mengenai kosmos. Harap sumbangkan apa yang anda mampu untuk kempen pendanaan orang ramai tahunan kami.

Adakah masa mempunyai permulaan?

Segala konsep masa sejagat mesti berdasarkan evolusi kosmos itu sendiri. Apabila anda melihat alam semesta, anda melihat peristiwa yang berlaku pada masa lalu - memerlukan sedikit masa untuk menghubungi kami. Sebenarnya, pemerhatian yang paling sederhana dapat membantu kita memahami masa kosmologi: sebagai contoh, kenyataan bahawalangit malam gelap. Sekiranya alam semesta mempunyai masa lalu yang tidak terbatas dan tak terbatas, langit malam akan benar-benar terang - dipenuhi cahaya dari sebilangan besar bintang di alam semesta yang selalu ada.

Untuk masa yang lama, para saintis, termasuk Albert Einstein, berpendapat bahawa alam semesta itu statik dan tidak terbatas.Sejak itu, pemerhatian menunjukkanbahawa ia sebenarnya berkembang, dan pada kadar yang semakin cepat. Ini bermaksud bahawa ia mesti berasal dari keadaan yang lebih ringkas yang kita panggil Big Bang, yang menunjukkan bahawa waktu memang mempunyai permulaan. Sebenarnya, jika kita mencari cahaya yang sudah cukup tua, kita bahkan dapat melihat sinaran peninggalan dari Big Bang - thelatar gelombang mikro kosmik. Menyedari ini adalah langkah pertama dalam menentukan usia alam semesta (lihat di bawah).




Kerelatifan

Tetapi ada masalah, teori relativiti khas Einstein menunjukkan bahawamasa adalah… relatif: Semakin cepat anda bergerak berbanding saya, semakin lambat masa akan berlalu untuk anda berbanding dengan persepsi saya tentang masa. Oleh itu, di galaksi kita yang berkembang, galaksi berputar dan planet berputar, pengalaman masa berbeza-beza: Semua masa lalu, masa kini dan masa depan adalah relatif.

Jam berapa: Bima Sakti melengkung di lanskap gelap dan berbatu.

Mengapa langit malam dapat memberitahu kita sedikit masa. Imej melalui Taman Negara Arches /Flickr.

Ternyata kerana alam semesta rata-rata sama di mana-mana, dan rata-rata kelihatan sama di setiap arah, memang adamasa kosmik. Untuk mengukurnya, yang harus kita lakukan ialah mengukur sifat latar belakang gelombang mikro kosmik. Ahli kosmologi telah menggunakan ini untuk menentukan usia alam semesta: usia kosmiknya. Ternyata alam semesta berusia 13.799 bilion tahun.

Anak panah masa

Oleh itu, kita tahu masa mungkin bermula semasa Big Bang. Tetapi ada satu pertanyaan mengganggu yang masih ada: apa sebenarnyaadalahmasa?


Untuk membongkar soalan ini, kita harus melihat sifat asas ruang dan masa. Dalam dimensi ruang, anda boleh bergerak ke depan dan ke belakang; penumpang mengalami perkara ini setiap hari. Tetapi masa berbeza, ia mempunyai arah, anda selalu bergerak maju, tidak pernah terbalik. Jadi mengapa dimensi masa tidak dapat dipulihkan? Ini adalah salah satu masalah utama yang tidak dapat diselesaikan dalam fizik.

Untuk menjelaskan mengapa masa itu sendiri tidak dapat dipulihkan, kita perlu mencari proses di alam yang juga tidak dapat dipulihkan. Salah satu konsep dalam fizik (dan kehidupan!) Adalah bahawa perkara-perkara cenderung menjadi kurang 'kemas' seiring berjalannya waktu. Kami menerangkan ini menggunakan aharta benda fizikal yang disebut entropiyang mengekodkan bagaimana pesanan sesuatu.

Bayangkan sekotak gas di mana semua zarah pada mulanya diletakkan di satu sudut (keadaan tertib). Lama kelamaan mereka secara semula jadi berusaha untuk mengisi keseluruhan kotak (keadaan tidak teratur) - dan untuk meletakkan zarah kembali ke keadaan yang teratur akan memerlukan tenaga. Ini tidak dapat dipulihkan. Ia seperti memecahkan telur untuk membuat telur dadar. Setelah merebak dan mengisi kuali, ia tidak akan berbentuk telur. Sama dengan alam semesta: seiring berkembangnya, keseluruhan entropi meningkat.

Diod berselerak dan komponen elektronik kecil yang lain tertumpah dari kotak plastik.

Malangnya itu tidak akan membersihkan diri. Imej melalui Alex Dinovitser /Wikimedia.


Peningkatan gangguan

Ternyata entropi adalah cara yang cukup baik untuk menerangkan anak panah masa. Dan walaupun nampaknya alam semesta menjadi lebih teratur dan bukannya kurang - pergi dari lautan liar yang menyebar gas panas secara seragam pada peringkat awal ke bintang, planet, manusia dan artikel mengenai masa - namun mungkin ia terus meningkat dalam keadaan tidak sihat. Itu kerana graviti yang berkaitan dengan jisim besar mungkin menarik perkara ke keadaan yang nampaknya teratur - dengan peningkatan gangguan yang kita fikir mesti berlaku entah bagaimana tersembunyi di medan graviti. Jadi gangguan boleh meningkat walaupun kita tidak melihatnya.

Tetapi memandangkan kecenderungan alam untuk memilih kekacauan, mengapa alam semesta bermula dalam keadaan yang teratur sejak awal? Ini masih dianggap misteri. Sebilangan penyelidik berpendapat bahawa Big Bang mungkin bukan permulaan, malah mungkin adaalam semesta selaridi mana masa berjalan ke arah yang berbeza.

Adakah masa akan berakhir?

Masa mempunyai permulaan, tetapi apakah ia akan berakhir bergantung pada sifatnyatenaga gelapyang menyebabkannya berkembang pada kadar yang semakin cepat. Laju pengembangan ini akhirnya dapat meruntuhkan alam semesta, memaksanya berakhir dengan Big Rip; sebagai alternatif, tenaga gelap boleh merosot, membalikkan Big Bang dan mengakhiri alam semesta dalam Big Crunch; atau alam semesta boleh berkembang selamanya.

Tetapi adakah senario masa depan ini akan berakhir? Nah, menurut peraturan mekanik kuantum yang aneh, zarah rawak kecil dapat seketika keluar dari ruang hampa, sesuatu yang dilihat secara berterusan dalam eksperimen fizik zarah. Ada yang berpendapat bahawatenaga gelapboleh menyebabkan 'turun naik kuantum' seperti itumenimbulkan Big Bang baru, mengakhiri jangka masa kita dan memulakan yang baru. Walaupun ini sangat spekulatif dan sangat tidak mungkin, apa yang kita tahu adalah hanya apabila kitamemahami tenaga gelapadakah kita akan mengetahui nasib alam semesta.

Jadi apakah hasil yang paling mungkin? Hanya masa akan menentukan.

Thomas Kitching, Pensyarah Astrofizik,UCL

Artikel ini pada mulanya diterbitkan dalamPerbualan. Membacaartikel asal.

Intinya: Apakah masa, dan mengapa ia bergerak ke hadapan? Ahli kosmologi Thomas Kitching dari University College London menerangkan bagaimana anak panah masa menunjukkan masa depan.