Problema timpului în fizică

„Problema timpului” din fizica teoretică apare din faptul că cele două mari teorii fundamentale ale fizicii moderne — mecanica cuantică și relativitatea generală — tratează timpul în mod profund diferit. În mecanica cuantică obișnuită, timpul este presupus ca un parametru exterior sistemului fizic, comun tuturor proceselor și necesar pentru descrierea evoluției acestora. În relativitatea generală, în schimb, timpul nu mai constituie un fundal fix, ci face parte din structura dinamică a spațiu-timpului și depinde de distribuția materiei, de gravitație și de starea de mișcare a observatorului. Această incompatibilitate devine esențială atunci când se încearcă formularea unei teorii a gravitației cuantice, capabilă să descrie simultan fenomenele cuantice și gravitația.

Linia de univers — Credit: K. Aainsqatsi / StibWikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

În mecanica cuantică, starea unui sistem evoluează în raport cu timpul prin ecuații precum cea a lui Schrödinger. Timpul este introdus din exterior, iar observabilele sunt definite și măsurate la anumite momente. Relativitatea generală elimină însă privilegiul unui asemenea timp universal. Ecuațiile lui Einstein descriu geometria întregului spațiu-timp, fără a presupune existența unui ceas exterior Universului. Dacă Universul este considerat ca un sistem fizic complet, nu există, în principiu, un reper temporal extern în raport cu care acesta să evolueze

Una dintre manifestările cele mai cunoscute ale dificultății este așa-numita problemă a formalismului înghețat. În încercările canonice de cuantificare a gravitației apare ecuația Wheeler–DeWitt, în care funcția de undă a Universului nu mai conține un termen explicit corespunzător evoluției temporale. Privit la nivel fundamental, Universul pare astfel „înghețat”, deși experiența cotidiană și teoriile aplicate subsistemelor sale descriu în permanență schimbare, evoluție și succesiune temporală. Problema constă, prin urmare, în explicarea modului în care timpul familiar poate apărea într-o teorie fundamentală care pare să nu îl conțină.

O posibilitate este ca timpul să nu fie o componentă fundamentală a realității, ci o proprietate emergentă. În abordarea propusă de Don Page și William Wootters, întregul Univers poate fi descris printr-o stare globală fără evoluție temporală, în timp ce observatorii aflați în interiorul său percep schimbarea prin corelațiile dintre diferitele componente ale sistemului. Un subsistem poate servi drept „ceas”, iar evoluția altuia este descrisă în raport cu el. În această perspectivă, timpul nu ar exista independent, ci ar rezulta din relațiile și din entanglementul dintre diferite grade de libertate. Experimente realizate ulterior cu sisteme fotonice au oferit ilustrații ale modului în care o asemenea descriere relațională a timpului poate funcționa.

Alte abordări urmăresc aceeași idee generală prin metode diferite. În unele formulări ale gravitației cuantice, o variabilă fizică este aleasă drept ceas, iar schimbarea celorlalte variabile este măsurată relativ la aceasta. Metodele de discretizare consistentă încearcă să elimine constrângerile matematice care produc problema formalismului înghețat. Interpretarea Montevideo a mecanicii cuantice acordă un rol important faptului că orice ceas real este el însuși un sistem cuantic și, prin urmare, are limite fundamentale de precizie. În alte scheme, câmpurile materiale pot fi utilizate pentru introducerea unui timp fizic și a unei evoluții dinamice efective.

Există și concepții conform cărora trecerea timpului ar putea fi obiectivă, nu doar aparentă. Lee Smolin, de exemplu, a susținut modele în care prezentul are o semnificație fizică reală, spre deosebire de concepția „Universului-bloc”, în care trecutul, prezentul și viitorul sunt tratate ca părți egal existente ale spațiu-timpului. Alte propuneri încearcă să lege apariția timpului de proprietăți mai profunde ale teoriilor fizice, precum invarianța la scară. În anumite modele de gravitație cuantică, aceasta ar putea conduce chiar la o formă cuantificată a timpului. Wikipedia

O direcție distinctă este ipoteza timpului termic, asociată în special lui Carlo Rovelli și Alain Connes. În această abordare, timpul nu este presupus de la început, ci poate apărea din starea statistică a unui sistem. Ceea ce percepem drept curgere temporală ar fi atunci legat de proprietățile termodinamice și statistice ale materiei și nu de existența unei variabile temporale fundamentale independente. O asemenea perspectivă sugerează și o posibilă legătură între problema timpului din gravitația cuantică și caracterul orientat al timpului observat în termodinamică.

Problema timpului rămâne însă nerezolvată. Nu se știe dacă timpul trebuie păstrat ca element fundamental al unei teorii fizice ultime, dacă trebuie redefinit prin relațiile dintre sistemele fizice sau dacă apare numai aproximativ la nivel macroscopic. Dificultatea depășește o simplă incompatibilitate matematică: ea pune în discuție însăși semnificația fizică a timpului, existența unei curgeri obiective și motivul pentru care Universul ne apare ca o succesiune de evenimente. Din acest motiv, problema timpului ocupă un loc central atât în cercetarea asupra gravitației cuantice, cât și în reflecția filosofică asupra naturii realității.