Věda a čas

Jan Werich kdysi řekl, že "čas si vymysleli lidi, aby věděli od kdy do kdy a co za to". Co o času říkají vědci? Existuje nějaká oficiální definice času? Na to jsme se zeptali astrofyzika Petra Kulhánka z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Petr Kulhánek: "Ne, oficiální definice času neexistuje. Ono je nesmírně komplikované říci, co to je čas. Každý z nás samozřejmě vnitřně pociťuje nějaké prožitky a jak funguje čas. Ve fyzice čas chápeme jako parametr pohybových rovnic, ze kterých potom počítáme polohu nějakého tělesa v určitém čase. Nicméně, kdybychom se zamysleli nad definicí času a okleštili ji až na to vlastní jádro, tak pro čas stačí říci, že je to posloupnost, která neklesá. Je to rostoucí posloupnost dějů. Za ty děje lze zvolit víceméně cokoliv. Mohou to být kroky člověka, který přechází po místnosti, ale při takovéto definici času bychom se dostali do problému se složitostí fyzikálních zákonů. Ty fyzikální zákony popisující pohyby těles by byly nesmírně komplikované, s takovouto definicí času. Proto je třeba volit nějaké rozumné děje, které jsou opravdu periodické. Mohou to být kmity kyvadla. Byly činěny pokusy to udělat přes rotaci zeměkoule. To se také ukázalo nevhodné, protože Země nerotuje rovnoměrně a ta perioda rotace se v průběhu desetiletí a staletí mění. V současnosti je tedy základní jednotka času sekunda, přes kterou je vlastně čas definován pomocí přechodů v atomárních obalech v atomu cesia, které mají konkrétní frekvenci a z toho je vlastně odvozena dnešní definice času a časové jednotky."

Na čas jako takový bylo v čase nahlíženo z různých úhlů pohledu. Chápání času v souvislostech se světem i životem se v dějinách vědy pochopitelně měnilo. V historii fyziky to podle Petra Kulhánka bylo ve třech hlavních vlnách.

Petr Kulhánek: "První vlna je období fyziky Galilea Galileie a Isaaca Newtona 16. a 17. století, ve kterém byl čas skutečně chápán jako vnější parametr, který naprosto nesouvisí s tělesy samými. Ten čas stál poněkud absolutně mimo tělesa samotná, stejně tak jako mimo prostor. Čas byl absolutní, neměnil se, tělesa na něho neměla vůbec žádný vliv a vystupoval opravdu jako pouhý vnější parametr. To se změnilo až po mnoha staletích v roce 1905, kdy Albert Einstein vytvořil speciální relativitu a začalo se blýskat na lepší časy. Ve speciální relativitě čas opět vystupuje jako parametr, opět je vnější, ale není už absolutní. Ve speciální relativitě časový interval, vzdálenosti mezi dvěma časovými událostmi závisí na volbě souřadnicového systému. Čili je to poprvé v historii, kdy čas není absolutní v tom smyslu, že například vykouření jedné cigarety nebo vypití jednoho piva bude trvat stejnou dobu ve všech souřadnicových soustavách. Tak tomu ve speciální relativitě není a svět je zařízen takovým zvláštním způsobem, že my v té vlastní souřadnicové soustavě vždycky máme prožitek nejkratší možný. Každému ostatnímu, který by se pohyboval kolem nás, se čas zdá být delší. Čili například, když já budu něco dělat, bude mi to trvat deset minut, ale pozorovateli, který kolem mně poletí dostatečnou rychlostí, bude mít dojem, že ten děj trval třeba patnáct, dvacet minut, podle toho, jak rychle letí. To je rok 1905 a nástup speciální relativity, kdy poprvé nejenom čas, ale i prostor přestaly být absolutními a začaly se měnit jejich odlehlosti - časová a prostorová. Ta poslední vlna přišla o něco málo později, v roce 1916, kdy Albert Einstein publikovat obecnou teorii relativity a ta poslední změna byla naprosto drastická a zásadní. Obecná teorie relativity, to je vlastně současná teorie gravitace a je založena na dvou myšlenkách, které lze říci velice jednoduše, ale matematické zpracování je potom komplikovanější. Ta první myšlenka je, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje čas a prostor kolem sebe. A ta druhá věta nebo myšlenka zní, že tělesa se ve tomto pokřiveném čase a prostoru pohybují po nejrovnějších možných drahách. Jinými slovy, například Země kolem Slunce se pohybuje po elipse ne proto, že by na ní působila gravitační síla, ale proto, že se pohybuje v pokřiveném světě, který pokřivilo Slunce samotné. Proč je to významné pro čas? Protože v tuto chvíli je čas spoluvytvářen tělesy. A stejně tak prostor. Čas a prostor přestává mít bez těles samotných smysl. Ta tělesa tím, že zakřivují čas a prostor, tak ho sama vytvářejí a vlastně poprvé v historii vědy se čas stal opravdovou nedílnou součástí našeho světa a bez toho materiálního světa neexistuje, nemá smysl a není ani vytvořený."

Čas také běží na různých místech různě; třeba ve dvou odlišných výškách nad zemí. To není žádný vědecký výmysl - různoběžnost času byla experimentálně prokázána.

Vše, co se kolem nás děje, má nějaký svůj alespoň trochu definovatelný počátek a konec v probíhajícím čase. Ale co samotný čas? Kde ten má svůj počátek? Je možné o něčem podobném, jako je počátek času, vůbec hovořit?

sluneční hodiny|foto: Jan Rosenauer

Petr Kulhánek: "To je relativně složitá věc. Od roku 1929 víme z experimentů Edwina Hubblea, že vzdálené galaxie se od nás vzdalují rychlostí, která je tím větší, čím jsou ty galaxie vzdálenější. Což je neklamným jevem toho, že vesmír expanduje - rozpíná se. Od roku 1998 dokonce víme, že ta expanze je zrychlená. Samozřejmě, pokud se vesmír rozpíná, tak nás zajímá, jaký byl dříve, ve svých počátcích. Je logické, že byl mnohem hustší a mnohem teplejší než dnes - a tady je vlastně ta limita, kterou lidé dělají. Jdou zpátky v čase a dostanou se až do okamžiku, kdy by hustota vesmíru měla být nekonečná a teplota také, což jsou samozřejmě absurdní a nesmyslná čísla. Tento okamžik je jakási počáteční singularita, ke které se přiřadil historicky čas t=0. Čili na první pohled se zdá, že počátek času existuje; je to ten okamžik, kdy by vesmír měl mít nekonečnou hustotu, nekonečnou teplotu a je to vlastně ten počátek vesmíru, kterému říkáme 'velký třesk'. Skutečnost je ale trošičku jiná. Uvědomme si, že my jsme šli zpátky v čase na základě našich současných pozorování a extrapolovali jsme, jaká byla hustota a teplota v minulosti. Ta extrapolace ale není správná; byla provedena na základě obecné relativity, která nás učí o zakřivení času a prostoru. Jenže obecná relativita je současná teorie gravitace a gravitační interakce je jenom jedna ze čtyř interakcí, které známe. Je pravda, že dominantně ovlivňuje vesmír v současnosti. Když ale půjdeme do minulosti, kdy vesmír začal být extrémně hustý a horký, tak rozhodně své slovo měla i interakce elektromagnetická, interakce silná a interakce slabá. Tudíž - my ten úplný počátek vesmíru nemůžeme popisovat jen v rámci obecné relativity, ale v rámci toho, co zatím nemáme. V rámci takzvané 'teorie všeho', která by spojovala všechny čtyři interakce dohromady. Znamená to vytvoření kvantové teorie gravitace, která v tuto chvíli ještě není. Je mnoho úspěšných pokusů, například pomocí teorie superstrun, ale ty pokusy rozhodně nejsou konečné. Dneska víme, že gravitace jako interakce se oddělila od ostatních interakcí zhruba deset na minus čtyřicátou třetí sekundy po velkém třesku, a to je pro nás okamžik, odkud jsme schopni ty děje popisovat, kam až jsme schopni jít. Čili my s našimi teoriemi a znalostmi rozhodně nejsme schopni jít k té nule. Pakliže se pokoušíme popsat počátek vesmíru nejen pomocí obecné relativity a zakřiveného času a prostoru, ale třeba i pomocí strunové teorie nebo pomocí jakékoli teorie sjednocení a použijeme více interakcí, tak pak už ta hustota a teplota vesmíru nejde nutně k nekonečnu. V tu chvíli tam naprosto není nutné dávat časovou nulu a můžeme jít ještě více zpátky. Ono to zní strašně ošklivě - můžeme jít zpátky v čase, do záporných časů, můžeme se ptát, co bylo před velkým třeskem. Těm teoriím se říká 'předbigbengové' teorie, anglicky je to 'Pre Big Bang', zkratku to má PBB, nicméně je pravda, že to udělat můžeme. Ale problém počátku času tím neřešíme, jen jej z té nuly odsouváme do minus nekonečna. To skutečné řešení není."

Jinými slovy, nikdo zatím neví, kdy čas začal a jestli vůbec nějaký začátek má. Tuší se aspoň něco o jeho konci?

Petr Kulhánek: "To je kupodivu otázka ještě složitější. Ta extrapolace k počátku, ať se nám daří nebo nedaří, je přece jen extrapolace k něčemu. Víme, jak ten vesmír zhruba vypadal a máme i nějaké experimentální údaje, například dokážeme vytvořit kvark-gluonové plazma, což je stav látky, jak vypadala 10 mikrosekund po velkém třesku. Čili jsme schopni alespoň nějaké experimenty provádět a jít do těch velice krátkých časů. Co se týče budoucnosti, tak tady je zásadní problém. Již jsem se zmínil, že v roce 1998 jsme zjistili, že vesmír expanduje zrychlenou expanzí. To ale nemůže být gravitační problém. Gravitace je přitažlivá interakce a jako taková by mohla expanzi pouze brzdit. Musí tady být nějaká další entita, která způsobuje rozfukování vesmíru. Pracovně se nazývá temná energie. Nikdo v tuto chvíli neví přesně, co to temná energie je, zda jde o nějaké kvantové projevy vakua, nebo zda jde o další novou sílu, které se říká kvintesence. Dokud nepoznáme vlastnosti temné energie a nezjistíme, v čem je problém, tak se těžko můžeme dohadovat, jak bude vesmír pokračovat. Před zhruba 50 lety by každý řekl, že budoucnost vesmíru záleží na jeho průměrné hustotě a podle toho se bude odvíjet, zda vesmír bude expandovat dále a nebo zda se vesmír bude smršťovat. Dnes tomu tak není. Díky temné energii nejsme s to říci, zda vesmír bude zrychlenou expanzí pokračovat, nebo zda dojde ke zbrzdění - k nějakému 'velkému krachu' vesmíru. To je všechno otevřené. V každém případě ta budoucnost a pojetí času je záležitost, která není jasná. Lze říci jediné, že čas je součástí vesmíru a dokud tady je nějaká materie, látka, tak ten čas má smysl. V okamžiku, kdy by látka v nějakém smyslu zmizela, tak přestane mít smysl i samotný pojem času, tak jak ho chápeme."

Dokud je tedy ve vesmíru nějaká hmota, běží v něm i čas. Hovořili jsme o tom s astrofyzikem Petrem Kulhánkem z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Na přítomnosti lidí ani jiných bytostí, které by o čase uvažovali, přitom vůbec nezáleží. Nevím, jestli vás to těší, ale je to prostě tak.

Vysíláno v Planetáriu č. 29/2009, 18. - 24. července 2009 (repríza ze září 2008).
Přepis: NEWTON Media, a.s. Redakčně upraveno.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (15:27).