Når oppstod tiden – og hvorfor går den framover?

(Opprinnelig publisert i bladet Naturfag)

6042800288_b6c461feb4_b

Creative commons (Robert Couse-Baker)

«Gjort er gjort, og spist er spist», sa den nesten 50 år gamle Bamsefar i Hakkebakkeskogen. Antagelig ville han understreke for de andre dyrene at fortiden ikke kan forandres. I seg selv er ikke dette en revolusjonerende innsikt – for de fleste vil den kanskje virke selvsagt. Men ved nærmere ettertanke er ikke fortidens uforanderlighet like åpenbar.

For det er nå over hundre år siden Einstein fortalte oss at tid ikke bare er en universell tikking som eksisterer uavhengig av universets gjøren og laden. Tid og rom er flettet sammen i en uatskillelig enhet vi kaller romtiden. Og når det går an å reise fram og tilbake mellom hus og jobb, hvorfor går det da ikke an å reise fram og tilbake mellom i år og i fjor?

Tiden har noe helt spesielt som rommet ikke har: Tiden beveger seg alltid framover. Den flyter som en elv. Relativitetsteorien forteller at den kan flyte langsommere enkelte steder og raskere andre plasser, men framover går det (i hvert fall hvis vi her tillater oss å se bort i fra eksotiske skrivebordsteorier om markhullsnarveier i tidrommet, hypotetiske overlyshastighetspartikler og professor Drøvels tidsmaskin). Og en elv har alltid en kilde, en liten myrputt oppe i fjellet der den begynner. Er det slik med tiden også?

Og hvis tiden har en start, et nullpunkt, når var det? Vi er temmelig sikre på at universet oppstod i et Big Bang for omlag 14 milliarder år siden. Men hva var før Big Bang?

For å kunne besvare disse spørsmålene må vi først se litt på hva tid egentlig er. Definisjonen av ett sekund er gitt ved svingefrekvensen til cesiumatomer. Vi ser rett og slett på en mikroskopisk liten pendel. Litt upraktisk å måle i hverdagen, men heldigvis har vi folk til sånt. Men hva med tidens retning, eller det vi kaller tidspilen? Hva definerer framtid og fortid? Her blir det med ett litt mer komplisert. Tidspilens natur er et tema der selv ikke de sprenglærde kan gi oss et entydig svar.

Problemet oppstår allerede i de mest fundamentale fysiske lovene. For eksempel styres mikroverdenes kvantemekanikk av en ligning vi kaller Schrödingerligningen (oppkalt etter han med katten). I ligningen inngår tiden. Men den skiller ikke på tidens retning. Løsningene på ligningen er identiske enten vi ser framover eller bakover i tid. Mikroverdenen ser altså ikke ut til å skille mellom fortid og fremtid. Det samme gjelder de aller fleste fundamentale fysiske lover: De ser like ut enten tiden går framover eller bakover.

Det samme kan vi oppleve i en del hverdagslige fenomener. For en stund tilbake moret jeg meg med min fem år gamle sønn, Vetle, og mobilkameraet mitt. Jeg hadde lastet ned en app som gjorde at jeg kunne filme Vetle og deretter spille av filmen baklengs. «Nå skal du få se mye moro», lovet jeg, mens jeg mintes de morsomme baklengsfilmene jeg hadde sett på TV som liten. Jeg ba Vetle gjøre et eller annet som jeg kunne filme. Han begynte å kaste en ball opp og ned. Etterpå kom han løpende for å se på baklengsresultatet. Skuffelsen var stor. Filmen så nesten akkurat lik ut enten vi spilte den framlengs eller baklengs. En slik kastbevegelse er nemlig tidssymmetrisk (når vi ikke tar hensyn til luftmotstand, vel å merke). Akkurat som Schrödingerligningen.

Alt ble mye morsommere da vi begynte å ødelegge ting. Et knekkebrød ble det første offeret. Jeg filmet, mens Vetle knakk og knuste knekkebrødet i stadig mindre biter. Når filmen ble spilt baklengs, var det ikke tvil om at det var stor forskjell mellom framover og bakover i tid. Hvordan kunne det skje, når fysikkens grunnleggende lover er tidssymmetriske?

Svaret ligger i termodynamikkens andre lov. Den forteller oss at entropien i et system alltid øker når tiden øker. Entropi er et komplisert begrep, men sånn røffli dreier det seg om grad av uorden. Eller som det ofte er framstilt i naturfagbøker: Energikvaliteten blir lavere i et system når tiden går. Her er det en helt tydelig forskjell på fortid og framtid. Entropien, eller graden av uorden, øker når tiden går framover, men minker hvis vi spoler tiden bakover. I knekkebrødknusingen ble dette tydelig. Sluttproduktet, når vi hadde beveget oss framover i tid, var definitivt mer uordnet enn det hele knekkebrødet vi hadde startet med.

Entropibegrepet gir ikke mening hvis vi bare ser på enkeltpartikler. Den gjelder når vi har et system, for eksempel et knekkebrød, som består av mange partikler. Entropien er en statistisk egenskap ved dette sammensatte systemet.

boltzmann2

Ludwig Boltzmann

En nyttig formulering av entropi ble gitt av den tyske fysikeren Ludwig Boltzmann. Han skilte mellom et systems makro– og mikrotilstand. En makrotilstand handler om de egenskapene ved et system som vi kan måle fra utsiden. Et enkelt eksempel er en innestengt gass. Vi kan måle gassens tempertur, trykk og volum. Dette definerer makrotilstanden. Mikrotilstanden handler om hvordan partiklene i gassen kan organisere seg. Enhver makrotilstand tilsvarer en drøss av mikrotilstander. Boltzmann sa at entropien til en gitt makrotilstand bestemmes av hvor mange mikrotilstander som kan beskrive akkurat denne makrotilstanden.

Entropien til et knekkebrød er en komplisert sak, men la oss se litt forenklet på det. Tenk deg at knekkebrødet er satt sammen av for eksempel tusen knekkebrødpartikler. Det er begrenset hvor mange måter disse partiklene kan organisere seg på hvis vi fortsatt skal ha makrotilstanden «knekkebrød». Makrotilstanden knekkebrød har dermed lav entropi. Makrotilstanden «knust knekkebrød» svarer derimot til et enormt antall muligheter for hvordan knekkebrødpartiklene kan fordele seg, og dermed et stort antall mikrotilstander. «Knust knekkebrød» har dermed høy entropi. Termodynamikkens andre lov, som sier at entropien vil øke med tiden, forteller oss derfor at et knekkebrød kan bli et knust knekkebrød.

Loven om entropi gjelder for isolerte systemer. Og det er klart, med ekstern inngripen av for eksempel et menneske med ekstrem tålmodighet, er det ikke umulig å reversere knuseprosessen. Men i arbeidet med å pusle sammen knekkebrødet må vi bruke energi, og det vil produsere varme (som har lav energikvalitet), og entropien i systemet av tålmodig menneske og knekkebrød vil derfor totalt sett øke.

Selv om de mikroskopiske lovene som styrer knekkebrødpartiklene ikke skiller mellom fortid og framtid, vil knekkebrødet som helhet gjøre det på grunn av termodynamikkens andre lov. Hvis partiklene får bevege seg fritt, er sannsynligheten for at partiklene tilfeldigvis skal danne et knekkebrød nesten null.

Vi kan godt si at tidspilen er gitt av termodynamikkens andre lov. Mange vil gå enda lenger, og si at denne loven simpelthen er definisjonen av tidspilen: Vi sier at tiden går framover i den retningen entropien øker.

Hva har så alt dette å gjøre med Big Bang og tidens opprinnelse? Jo, entropien i universet må hele tiden øke. Skulle entropien i universet vært maksimal, ville all energi rundt oss vært i form av varmestråling, som er den maksimalt entropiske tilstanden. Der er vi heldigvis ikke, i hvert fall ikke ennå. Hvis vi spoler tiden tilbake, må entropien ha vært lavere. Og jo mer vi spoler tiden tilbake, dess mindre entropi.

Akkurat hvordan universet så ut ved Big Bang, kan vi ikke beskrive med dagens fysiske lover. Men mange, blant annet Stephen Hawking, vil hevde at hele vårt synlige univers da var samlet i et punkt med null utstrekning. Mer ordnet får du det ikke. Big Bang definerer da det ultimate bunnpunkt for universets entropi.

Spørsmålet om hva som var før Big Bang gir derfor ikke mening. Når entropien ikke kan bli lavere, kan vi heller ikke snakke om noen fortid. Tidspilen mister mening. Det var først i Big Bang, når universet begynte å utvide seg, at tiden ble definert og fikk en retning.

Konklusjonen over kan virke kontraintuitiv og lite tilfredsstillende når vi lever i en verden der enhver hendelse har en foranliggende årsak. Hva var årsaken til Big Bang, hvis alt som fantes var et tidløst ingenting?

Nå viser det seg at også «ingenting» er et problematisk begrep. For hva er egentlig ingenting? «Ingenting er som påsketur», sang Øystein Sunde, men det er i beste fall en noe upresis beskrivelse. Som vi har sett, trenger ikke kvantemekanikkens lover en tidsretning for å fungere. Det er mulig å se for seg fluktuasjoner, bobler og kaos i en kvantemekanisk sjø, der tiden var det vi kan kalle imaginær tid, noe som ikke er det samme som vår opplevde tid.

I kvantemekanikken er det alltid en viss sannsynlighet for at usannsynlige hendelser kan inntreffe. Dette kjenner vi blant annet fra radioaktive isotoper, der en atomkjerne kan eksistere i millioner av år før den plutselig, og tilsynelatende uten grunn, sender ut radioaktiv stråling og blir til en ny isotop. På en tilsvarende måte kan vi tenke oss at disse kvantefenomenene som herjet rundt i den imaginære tiden plutselig havnet i en tilstand der universets plutselige ekspansjon begynte.

Teorier om multiverset er også populære i en del kretser. Her har vårt univers oppstått som en boble, som et utskudd, fra et større multivers. I et slikt scenario kan vi kanskje se for oss noe før Big Bang, i hvert fall i et annet univers.

Men enn så lenge har vi ikke fysiske lover som kan beskrive Big Bang. Vi bruker generell relativitetsteori for å beskrive fenomener der tyngdekreftene dominerer, og kvantefysikk for å beskrive hva som skjer på mikroskopisk skala. Men ved Big Bang ble det mikroskopiske blandet sammen med enorme tyngdekrefter. I dag har vi ingen teori som forener generell relativitetsteori og kvantefysikken. Hva som skjedde ved, for ikke å si før, Big Bang er rett og slett utenfor hva vi har kapasitet til å bekrive.

Hva blir da konklusjonen? Når oppstod tiden? Det enkle svaret: Ved Big Bang. Det ærlige svaret: Vi vet ikke.

 

 

5 comments

  1. Carbomontanus · mai 6, 2016

    Dette var endelig primært og fundamentalt.

    Let opp Burl Ives Time Time Time Youtube, et primært argument i saken.

    Ibsen har også bidratt. Det står i messingskrift på fortauet foran DOMVS ACADEMICA. Der står det at «De bør ikke ønske Dem mere tid Doctor, for hadde tiden vært lengre så ville De vært kortere!»

    Så da, så.

    Og i bakgrunnen oppe i vinduet henger klokka til Hansteen som Ibsen stilte lommeuret sitt efter. Tikk- takk- tikk- takk, sekundpendelen i særlig saklig og vitenskapelig utgave.

    Nå skal klokka på Westminster med Big Ben overhales efter 150 år, den som Churchill stilte klokka si etter. Den sto ikke et sekund under hele krigen men må nå stå i trekvart år eller vel så det.

    Hawkins har skrevet a short history of time, og Trond Berg Eriksen i Idehistorie har efterapet og skrevet Tidens historie.

    Jeg kommer tilbake til saken men trenger litt tid for å kunne levere kvalitet.

    Og ser Ludwig Bolzmann er avbildet. Bolzmann var like sort og dramatisk som han ser ut til på bilde. Innimellom glitrende glimrende genial, og så like dypt og sort deprimert. Han var manisk depressiv og begikk selvmord tilslutt. Men endel av hans formler er godt som gull, ja som diamanter og lar seg ikke forbedre. Det er timeless wisdom, evig visdom.

  2. KEE · mai 6, 2016

    Oksy; tenker jeg riktig nå? Hvis tid oppfører seg som en dimensjon så er det en begrensning som trer inn: Den negativ bevegelse er ikke lov. Du kan gå alt fra å stå stille til du går overende med gnagasår, men å bevege deg en negativ lengde går ikke. Om jeg går fra Skien til Porsgrunn er det 9 km. Går jeg Porsgrunn-Skien er det 9000 m.

    • Carbomontanus · mai 6, 2016

      Neida
      Att og fram er dobbelt så langt. Dette at att og fram er like langt er gammel overtro som strider mot enhver erfaring, og som forlengst er motbevist og diskvalifisert av vitenskapen.

  3. Carbomontanus · mai 6, 2016

    Jo, nå har jeg det.

    Spørsmålet var Når oppstod tiden?

    Det var i hine hårde dage da de store grønne gudebilder i østen falt forover og på trynet, og Berlinmuren som hadde stått der i alle herrans år tvers igjennom verden fra evighet til evighet og iallefall til Dommedag som en forbrent ruin, plutsleg en vakker dag så falt den forover, den for- falt under de brede massers jubel og tyngde.

    Og ganske synkront med det så sank Christiania Krek og Bandittkasse i kne og i grus og ned i et sort hull, Ditten- hullet på Majorstuen. Som om der var en organisk sammenheng mellom østen og vesten..

    Matthias tok forberedende i de dage, og jeg kjente læreren. Som hadde lagt ut storartet filosofisk om de gamle Grekere og Før- sokratikerne, og spurt i Auditoriet: «Kan noe oppstå av intet og kan noe som er noe…. bli til intet?»

    En student rakk opp hånden og foreslo: «Bank- aksjer!»

    Læreren knakk….. Hele resten av forelesningen var ødelagt.

    Jeg hadde samtidig et forhold til det da jeg hadde fått og var betrodd å forvalte et parti Bankaksjer just fra Kreditkassen med pari kurs 10 000, som sto i 40 000. Og klok som jeg var så gikk jeg til banken, fordi man alltid skal spørre bukken hva man skal gjøre med Havresekken. Bukken er nemlig expert på havresekker.

    «Behold dem..» sa Bukken
    «Hvorfor det da?» spurte jeg.
    «Kjekt å ha…» sa Bukken.

    Så jeg solgte dem på flekken til Bukken for 40 000.
    Kursen drattet så rett lineært på skrå nedover og ned i null.

    Men det forekommer meg at bankaksjer i virkeligheten er virtuelle verdier, det vil si falsk gloria og blår i øynene, så man vil være dum om man kjøper dem eller beholder dem, og jeg var da altså ikke så dum. Og da er det strengt tatt ikke heller verdier.

    Men så er det spørsmål om hvorvidt også tiden er en slik virtuell verdi, for den kan ifølge big bang- teorien visstnok også gå i null. Men da blir den også visstnok også noe annet og sammen med rommet og energien og materien. Dens «stoff» som det heter, blir ikke til intet men endrer form dvs. måte å være på.

  4. Øyvind Hammer · mai 12, 2016

    Der overgikk du deg selv, CM.Utrolig, helt utrolig.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s