Cestování v čase a náš vesmír

Jana Olivová: Před 100 lety Albert Einstein zcela změnil naše dřívější pojetí času. Můžete vysvětlit, jaký je postoj k času dnes? Jak definuje čas současná věda?

Jim Al-Khalili: Je to velmi zajímavé. Myslím, že ještě dnes se většina lidí dívá na čas pohledem, který pochází z doby před Einsteinem, tedy pohledem Isaaca Newtona. Ten konstatoval, že čas je absolutní, oddělený od našeho vesmíru, od prostoru. Představují si tudíž, že existují nějaké kosmické hodiny, které počítají sekundy, minuty a hodiny všem stejně. Einstein však před sto lety ukázal, že toto chápání času je špatné a že čas je ve skutečnosti pevně zapuštěn do našeho vesmíru, což znamená, že nad časem máme určitou kontrolu: můžeme ho natahovat a stlačovat v závislosti na podmínkách. To je však stále velmi těžké pochopit. Pokud nejste vědec, pokud jste nestudovali Einsteinovo dílo, pak je velmi obtížné jen uvěřit, že to je pravda. My to ale víme a za poslední století jsme provedli mnoho a mnoho pokusů potvrzujících, že právě k tomu ve skutečnosti dochází. Že čas lze opravdu trochu ovládat.

J. O.: Čas v Einsteinově pojetí je jedním z rozměrů vesmíru. Dá se čas z tohoto hlediska srovnat s prostorem? Plyne čas (tak jak to vnímáme my lidé), nebo neplyne?

J. A. K.: Čas je v Einsteinově teorii relativity samozřejmě považován za čtvrtý rozměr doplňující tři rozměry prostoru. Abychom opravdu porozuměli vesmíru, musíme nepochybně uvažovat čtyřrozměrný prostoročas. Nicméně čas se od prostoru odlišuje. Když si představíte pohyb v prostorovém rozměru, můžete se volně pohybovat dopředu a dozadu, jak chcete. V čase však vskutku musíme stále plout jedním směrem. V moderní fyzice sice existují představy o pokusech pohybovat se v čase zpět, je to však velice obtížné a nepanuje v tom úplná jistota, ve skutečnosti zatím povaze času nerozumíme natolik dobře. Pro tuto chvíli je však čas stále jako řeka – plyne dál. Co snad můžeme, je pohybovat se v té řece rychleji. Když jsme ve člunu, nepohybujeme se prostě jen rychlostí proudu vody. Fakticky se můžeme pohybovat proudem rychleji a dostat se do budoucna dříve než jiní.

J. O.: Takže pokud se můžeme pohybovat v čase rychleji a dostat se do budoucnosti, znamená to, že ve vesmíru existují místa, kde čas může plynout rychleji než v jiných částech vesmíru? Znamená to též, že budoucnost z našeho hlediska už někde existuje současně s naší přítomností?

J. A. K.: Ano, právě to nám říká teorie relativity: že totiž čas není všude ve vesmíru stejný. Podle toho, kde se nacházíte nebo jak rychle se pohybujete, se bude tempo, jímž bude plynout váš čas, lišit od tempa času někoho jiného, jiného pozorovatele. To nám dává možnost dosáhnout budoucnosti, jestliže k tomu byly správné podmínky. Mnoho lidí si však myslí, že když lze cestovat do budoucnosti, pak tam někde ta budoucnost už musí být. Čekat na vás. To nutně vede k závěru, že budoucnost už existuje, a tudíž nemáme žádnou svobodu, nemáme žádnou svobodnou vůli a je úplně jedno, co uděláme. To souvisí s filozofickými a náboženskými představami. Avšak věda neříká, že budoucnost existuje. Budoucnost se odvíjí od současného okamžiku, je stále otevřená a teprve se o ní musí rozhodnout. Jde pouze o to, že se odvíjí pro různé lidi různým tempem, podle toho, kde se nacházejí.

J. O.: Proč tedy můžeme hovořit nebo přemýšlet o cestování v čase? Kam bychom pak cestovali?

J. A. K.: Otázka, zda můžeme cestovat, jsou vlastně otázky dvě. Jedna se ptá: Můžeme cestovat do budoucnosti? Druhá zní: Můžeme cestovat zpět do minulosti? Teorie relativity nám říká: Ano, můžeme cestovat do budoucnosti, a to v zásadě dvěma způsoby. Jeden způsob je cestovat prostorem velmi vysokou rychlostí, blízkou rychlosti světla, což je nejvyšší rychlost, jakou ve vesmíru známe. Nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo. Kdybychom například dokázali postavit raketu, která by letěla rychlostí blízkou rychlosti světla, pak by náš čas uvnitř rakety plynul pomalejším tempem, hodinky by odtikávaly pomaleji. My bychom nepociťovali žádný rozdíl, cítili bychom se normálně, náš čas by však ubíhal mnohem pomaleji. Takže až bychom se vrátili na Zemi, zjistili bychom, že pro nás uplynulo méně času, než kolik ho uplynulo na Zemi. Mohli bychom tak jednoduše zjistit, že jsme se dostali do budoucnosti Země. To je tedy jeden způsob cestování v čase – zpomalením svého času můžete doputovat do budoucnosti. Cestování zpět do minulosti je ale daleko obtížnější. Mnoho fyziků je přesvědčeno, že je to nemožné, protože to vede k různým paradoxům, jimž nerozumíme. Přesto naše nejlepší teorie času – což je Einsteinova obecná teorie relativity – ukázala, že by to možné být mělo. Jsme tedy v nádherné situaci: Přírodní zákony říkají, že by to mělo jít, ovšem zákony logiky říkají, že by to možné být nemělo.

J. O.: Proč je to z pohledu logiky nemožné? Jaké jsou ony paradoxy, o nichž jste se zmiňoval?

J. A. K.: Ten nejslavnější se původně nazýval paradox dědečka. Podle něho odcestujete do minulosti, abyste zabila svého dědečka ještě dřív, než potká vaši babičku a než ta přivede na svět vaši matku a dřív než vaše matka porodí vás. Kdybyste tímto způsobem změnila minulost, nikdy byste neexistovala. Samozřejmě ale kdybyste nikdy neexistovala, nikdy by z vás nevyrostl onen cestovatel v čase, který se vrátí do minulosti. Váš dědeček by tudíž zůstal naživu, vy byste se proto mohla o mnoho let později narodit, takže byste se mohla vrátit zpět a zabít ho – a tak stále dokola. Z této paradoxní smyčky tedy není úniku. Jestliže jste změnila minulost, už je to zapsáno v historii. Nemůžete se do minulosti vrátit a historii přepsat. Z tohoto důvodu si většina lidí myslí, že když budete cestovat do minulosti, měla byste mít možnost s touto minulostí interagovat, měla byste mít možnost mluvit s lidmi a provádět různé činy, které minulost změní. Pokud se tak nestalo, znamená to, že to udělat nemůžete.

J. O.: To se však týká jen systémů, v nichž platí kauzalita, příčinnost. Tu nemůžeme změnit. Ve vesmíru však existují procesy, které jsou vratné. Plyne čas pro tyto systémy v obou směrech? Dá se vůbec říct, že čas má nějaký směr? Existuje v takových systémech nějaká šipka času?

J. A. K.: Zajisté ve většině oblastí fyziky je většina fyzikálních rovnic, které popisují různé jevy v přírodě, vratných v čase. To neznamená, že čas může plynout opačným směrem; znamená to, že když tyto systémy pozorujete, když je nafilmujete, a pak si ten film pustíte pozpátku, fyzikální zákony zůstanou stejné. Není nic, na co byste se podívala a řekla: To je špatně, to běží v čase pozpátku, protože čas je vratný. Nicméně šipky času existují a je řada způsobů, jimiž lze směr času definovat. Nejsolidnější z nich je založen na druhé větě termodynamické, která říká, že čas plyne tím směrem, v němž pozorujeme, že věci stárnou, horké předměty chladnou, rozkládají se. Existuje mnoho věcí, které se pohybují směrem, v němž se stále musí zvyšovat něco, čemu říkáme neuspořádanost, entropie. Když tedy vidíte systém, v němž se entropie zmenšuje, klesá, právě to vám řekne, že to je obráceně, že pozorujete něco, co probíhá ve špatném směru, protože víme, že v přírodě existuje mnoho a mnoho jevů, které vzdorují minulosti a budoucnosti. A pokud minulost a budoucnost zaměníte, otočíte, dokonce i bez příčinnosti můžete zjistit, že se šipka obrátila.

J. O.: Říkáte, že podle 2. věty termodynamické musí entropie narůstat. Ve vesmíru však vidíme systémy, které jsou stále složitější a složitější. Jak můžeme říci, že v těchto systémech roste entropie, tedy neuspořádanost? Pokud vím, vědci se také v současné době snaží definovat vztah mezi informačním obsahem a entropií systému. Je entropie v systémech, které obsahují mnoho informací, vysoká, nebo nízká?

J. A. K.: To je nyní velmi zajímavý předmět zkoumání. Konkrétně fyziků jako Stephen Hawking, který – jak je široce známo – nedávno přišel s určitými výsledky pojednávajícími o entropickém obsahu či informačním obsahu černých děr. Je pravda, že když se rozhlédnete kolem sebe, velmi často spatříte systémy, u nichž se zdá, že porušují 2. větu termodynamickou, protože nepostupují od řádu k chaosu, což bychom měli pozorovat v případě, že by entropie rostla. Mám-li balíček karet a zamíchám ho, tak s velmi vysokou pravděpodobností způsobím, že karty budou méně uspořádané, méně organizované. Je vysoce nepravděpodobné, že bych se stálým mícháním balíčku karet dostal do bodu, kdy budou všechna čísla seřazena ve správném pořadí a všechny barvy budou také seřazeny. Vidíme ale některé příklady. Například my, lidské bytosti, sice existujeme jako systémy s velice nízkou entropií, protože jsme nadmíru vysoce organizovanými a složitými systémy. Když se na to však podíváme ve větší šíři, uvidíme, že jsme jen malými oblastmi nízké entropie obklopenými daleko větší entropií. Slunce poskytuje Zemi energii a v rámci celého systému sluneční soustavy pozorujeme, že v celkovém měřítku entropie ve skutečnosti narůstá. K dalšímu bodu: souvislost mezi entropií a informacemi je také velice zajímavá, protože mít systém, který je uspořádaný, organizovaný, znamená, že tento systém obsahuje informace. Můžete využít řád a složitost k uchování informací. Jakmile mám svůj balíček karet uspořádaný podle čísel a barev, obsahuje informace, ale pokud ho zamíchám a stane se zcela chaotickým a dezorganizovaným, informace se ztrácejí. My však máme za to, že informace je něco, co se ztratit nemůže. Informace by se měly zachovávat. Pokud tedy informace ze systému zmizí – kam se podějí? Někam jít musí. Lidé jako Stephen Hawking se o to velice zajímali a snažili se poznat, co se stane s informací, jestliže spadne do něčeho takového, jako je černá díra. Protože černá díra je systém ve vesmíru, odkud cokoli, co se do něho jednou dostane, už nikdy nevyjde ven. Znamená to, že tyto informace se z našeho vesmíru jednou provždy ztratí? Nikdy se nemohou dostat ven, protože pokud by se tak stalo, pak by se nějakým způsobem z černých děr stala tělesa porušující představy o informacích, o entropii a 2. větě termodynamické. Nicméně se zdá, že Stephen Hawking si právě uvědomil, že se možná zmýlil a že bude třeba, aby fakticky změnil názor, který zastával tolik let. Zatím však nepublikoval vědeckou práci, v níž vysvětluje detaily svých představ. Fyzikové proto čekají na podrobnosti jeho práce.

J. O.: Napadá mne v souvislosti s tím, jak hovoříme o entropii a vesmíru, následující problém: Vesmír byl v okamžiku velkého třesku ve velmi chaotickém, neuspořádaném stavu, ale podle 2. věty termodynamické měl mít nízkou entropii. Je tomu tak?

J. A. K.: Ano, to je velice zajímavé. Nejmenší možnou entropii měl mít vesmír na samém počátku. Pak mohla entropie narůstat s tím, jak se vesmír dál vyvíjel. Ale jak říkáte: byl velmi horký a velmi chaotický – což by mělo znamenat entropii velmi vysokou. Právě o tomto tématu jsem hodně přemýšlel, když jsem psal svou knihu o cestování v čase, o černých dírách atd. A několik nápadů k tomu jsem měl. Entropie v zásadě nesouvisí pouze s tím, nakolik chaotický je nějaký systém, ale i s tím, kolik možností má daný systém k dispozici. Pokud tedy jde o tak obrovský prostor, jakým vesmír je, pak mohou atomy existovat na nezměrně mnoha místech a vesmír může existovat ve velmi mnoha stavech. V okamžiku velkého třesku bylo vše stlačeno do malého prostoru. My však máme za to, že hned po velkém třesku začala epocha inflace, v níž se vesmír nesmírně rychle rozpínal. Podle mého názoru právě v průběhu epochy inflace dosáhl vesmír obrovské velikosti daleko rychleji, než aby s tím mohla držet krok 2. věta termodynamická. A tak měl vesmír najednou k dispozici veliký objem toho, čemu se říká fázový prostor. Dá se říci, že v této chvíli, po inflaci, jsme dospěli do stavu velice nízké entropie, protože vesmíru se nabídlo mnoho a mnoho možností. Přesto je stále nadmíru obtížné pokoušet se 2. větu termodynamickou spojit s představami velkého třesku. Já myslím, že tyto myšlenky jsou otevřené pro další výzkum. Můžeme je tedy vysvětlit velmi obecně a vágně – ale jednoduše nerozumíme podmínkám při velkém třesku, které vesmír v čase nula nastartovaly.

J. O.: Jedním z témat, o nichž se v současnosti velmi často hovoří, je jemné vyladění konstant přírody. Někteří lidé říkají, že vesmír je tak jemně vyladěn, aby dovolil existenci člověka, lidského života. Jaký je v tomto ohledu váš názor?

J. A. K.: Považuji to za velmi fascinující. Je pravda, že kdyby kterákoli z konstant byla jen o maličko odlišná, neexistovali bychom. U nábožensky založeného člověka to dokonale podporuje představu o nadpřirozené bytosti, která všechny tyto konstanty a podmínky ve vesmíru přesně vyladila tak, aby se vyvinul člověk. Když ale jste vědec, když zkoumáte vědecké důvody toho všeho, jednou z nejpřitažlivějších možností pro vás je vysvětlení, že náš vesmír je opravdu velmi speciální, je však jen jedním z mnoha vesmírů. Je možné, že náš vesmír jakožto čtyřrozměrný časoprostor existuje v nějaké vyšší dimenzi a že neustále vzniká mnoho a mnoho – a možná nekonečný počet – vesmírů a ve většině z nich nejsou podmínky či přírodní konstanty správné, a dokonce nejsou dostatečně vyladěny ani na to, aby vesmír sám existoval, aby vznikly atomy. A tyto vesmíry nepřetrvají. V mnoha dalších vesmírech mohou být podmínky správné pro zformování hvězd, galaxií a planet, ale samozřejmě musí být splněny další nezbytné podmínky například pro to, abychom se tady na Zemi vyvinuli my. Lidé mají štěstí, že na Zemi byla například právě ta správná teplota a ty správné podmínky – a dokonce se zdá, že i to, jak začal sám život, bylo vysoce nepravděpodobné. Takže samozřejmě musí existovat mnoho jiných vesmírů, v nichž se sice zformovala Země, ale nevyvinul se žádný život. Pokud tedy předpokládáme, že musí být nekonečný počet jiných paralelních vesmírů, potom ten náš už není tak speciální. Je to prostě vesmír, v němž jsou náhodou podmínky pro nás nezbytné. A proč jsme zde? Prostě proto, že právě tento vesmír je pro nás vhodný.

J. O.: Mají vědci nějaké nástroje pro to, aby tuto domněnku buď potvrdili, nebo vyvrátili? Mají vůbec šanci dokázat existenci vesmírů s odlišnými fyzikálními zákony?

J. A. K.: Zatím nikoli. Někteří fyzikové věří, že existují testy, které lze provést. Zatím je to však předmětem vzrušených debat a výzkumů. Mnoho fyziků má za to, že až nalezneme úplnou teorii fyziky (pokud se nám to podaří) a možná teorii elementárních částic ve vesmíru a odpovíme na otázku, zda se tyto částice chovají jako vibrující struny v teorii superstrun, potom snad tyto úplné, fundamentální teorie nabídnou zároveň odpovědi i na takové otázky, jako jsou paralelní vesmíry.

Otázky kladla a rozhovor zpracovala Jana Olivová, Český rozhlas