Náš vesmír je poháněn příčinou a následkem. To, co se děje nyní, vede přímo k tomu, co se stane později. Díky tomu je mnoho věcí ve vesmíru předvídatelných. Dokážeme předpovědět, kdy dojde k zatmění Slunce, nebo jak odpálit raketu, která vynese kosmickou loď na Mars. Toto funguje i obráceně. Když se na události podíváme nyní, můžeme pracovat zpětně, abychom pochopili, co se stalo předtím. Můžeme se například dnes podívat na pohyb galaxií a vědět, že vesmír byl kdysi v horkém hustém stavu, kterému říkáme velký třesk.
To je možné díky vlastnosti fyziky známé jako časová symetrie. Fyzikální zákony fungují stejně bez ohledu na směr času. Pokud sledujete animaci planety na oběžné dráze, nemáte jak zjistit, zda běží dopředu nebo dozadu. Kauzalita fyziky umožňuje, aby příčiny byly účinky a účinky příčiny. Neexistuje žádný preferovaný směr pro čas.
Běží tato animace vpřed nebo vzad? Kredit: uživatel Wikipedie WillowW
Ale počkejte, řeknete si, co termodynamika a entropie? Káva mi vždy vychladne, když sedím na stole, a když upustím hrnek na zem, nedokážu ho rozbít. Nedává to času jedinečný směr? Ne tak docela.
Termodynamika má statistickou povahu. Entropie bude mít skutečně tendenci se časem zvyšovat, ale je to proto, že existuje mnohem více možných neuspořádaných stavů než uspořádaných. Je to trochu přehnané zjednodušení, ale pro každodenní život to stačí. Když vyhodím hrst písku do vzduchu, zrnka téměř jistě přistanou na zemi v nějakém náhodném vzoru. Existuje však nekonečně malá šance, že přistanou v dokonalém kruhu. Šance jsou tak malé, že to nikdy neuvidíme, ale nenínemožné. Chaotické systémy je téměř nemožné předvídat, ale mohli bychom je (v zásadě) předvídat s dostatkem informací. Díky časové symetrii bychom se také mohli vrátit k počátečnímu stavu chaotického systému.
Toto je známé jako retrodikce. Je to schopnost „předpovídat“ minulé události od těch současných a leží v srdci základní fyziky. Jedna věc, kterou jsme se naučili o kvantové fyzice, klasické fyzice a termodynamice, je to, že všechny vedou k informacím. Stav jakéhokoli systému obsahuje všechny informace, které potřebujete k předpovědi, co se bude dít dál. To znamená, že informace jsou konzervované množství a stejně jako energie nelze vytvořit ani zničit.
Mohla by černá díra udržet vaše tajemství v bezpečí? Kredit: NASA
Alespoň si to myslíme. Jednou z velkých nezodpovězených otázek je, zda zachování informací platí pro černé díry. Když hodím svůj osobní deník do černé díry, nikdy nemůže uniknout. Jakmile deník překročí horizont událostí, nemůže nikdy uniknout. Znamená to, že moje nejhlubší tajemství jsou navždy v bezpečí? Tento informační paradox má obrovské důsledky pro kvantovou gravitaci, ale to je příběh na jindy.
Mohla by však retrodikce selhat i bez vyvolání horizontů událostí nebo kvantové fyziky? Protože klasická fyzika je deterministická, retrodikce by měla být vždy možná. Ale nová studie proti této myšlence argumentuje.
V této práci tým provedl počítačové modely tří masivních černých děr v gravitačním tanci. S každou simulací posunuli počáteční pozice černých děr, aby viděli, jak podobné nebo odlišné byly jejich pohyby v průběhu času. Tento druh problému tří těles je klasickým příkladem chaotického systému. Pro problémy tří těles neexistuje žádné přesné řešení, takže je to skvělý způsob, jak studovat, jak předvídatelný může být systém.
Jak můžete očekávat, když změníte počáteční podmínky, můžete získat velmi odlišné výsledky. Malé rozdíly vedou časem k velkým. To víme o chaotických systémech po celá desetiletí. Ale tým zjistil, že sebemenší posuny mohou vést k velkým odchylkám. Když provedli posuny malé jako délka prkna, většina simulací zůstala skutečně konzistentní, ale asi 5 % z nich se stále velmi lišilo.
Dva systémy (bílý a červený) se liší Planckovou délkou, ale stále se rozcházejí. Kredit: Astronomie.nl/Tjarda Boekholt
To je zajímavé, protože délka Planku je asi limitem měřítka pro kvantové systémy. Menší než to a známé fyzikální zákony se hroutí. Protože tělesa v režimu jsou velké černé díry, nejedná se o nějaký efekt kvantové nejistoty. V jejich simulaci to také není nějaká nejistota. Nepředvídatelnost tohoto systému tří těl se zdá být vlastní.
Takže nemůžeme vždy předvídat budoucnost. Co je ještě nového? Ale protože zákony gravitace jsou časově vratné, znamená to také pro některé systémy, že nemůžeme znát jejich původ. Ani z principu.
Než si myslíte, že to vyhazuje veškerou vědu z okna, mějte na paměti, že jde o hranici toho, co lze poznat. Historii vesmíru stále můžeme porozumět tím, co vidíme dnes. To by však mohlo znamenat, že informace nejsou vždy zachovány, a to ani v jednoduchém klasickém systému. Pokud je to pravda, mohlo by to změnit způsob, jakým chápeme nejzákladnější podstatu fyziky.
Odkaz:Boekholt, T. C. N., S. F. Portegies Zwart a Mauri Valtonen. “ Gargantuovské chaotické gravitační třítělesové systémy a jejich nevratnost na Planckovu délku .'