Tid vad är det? Clas Blomberg. Teoretisk fysik KTH

Transkript

1 Tid vad är det? Clas Blomberg Teoretisk fysik KTH

2 Det finns här i världen en stor och ändå mycket vardaglig hemlighet. Alla människor har del i den, alla känner till den, men mycket få tänker någonsin på den. De flesta accepterar den bara och undrar aldrig över den. Denna hemlighet är tiden. Vi har almanackor och klockor att mäta den med, men det säger inte särskilt mycket, för varenda människa vet ju att en enda timme ibland kan kännas som en evighet, men tvärtom också kan rusa iväg som bara ett ögonblick allt efter vad man upplever under den där timmen. (MIchael Ende; Momo )

3 Nej, förklarade Momo, Jag tänker på tiden själv - något måste den ju ändå vara. För den finns ju. Så vad är den för något i själva verket? Momo funderade länge. Den finns, mumlade hon fundersamt, så mycket är i alla fall säkert. Men man kan inte ta på den. Och inte hålla fast den heller. Kanske är den som en doft? Men den är också något som hela tiden glider förbi. Alltså måste den komma någonstans ifrån. Kanske är den något i stil med vinden? Nej, inte det! Nu vet jag! Den är kanske som en sorts musik, som man bara inte hör därför att den alltid finns där. Fast jag tror faktiskt att jag ändå har hört den många gånger, väldigt lågt och tyst.

4 Vad är tid? En fråga som många ställt med osäkra svar Kyrkofadern Augustinus ställde frågan och sade att om han inte undrade över detta, visste han vad tiden var, men om han skulle förklara för någon som frågar, visste han inte. Momo i Michael Endes barnbok är förbryllad när hon undrar. Tiden är inte en lukt, inget att ta på, kanske en vind som blåser. Vad är den egentligen?

5 Ja, vad är tid? En evig fråga som hänger samman med all utveckling, med våra liv, med naturens och livets utveckling, med Jordens och vårt solsystems utveckling och tillbaka till utvecklingen av universum och frågor om tidens (och därmed världsalltets) början och slut. Fanns det en början? Eller har tiden alltid funnits?

6 Låt mig börja lite försiktigare med frågor om hur vi uppfattar tiden, hur vi kan svara på Momos och Augustinus frågor för att sedan ta upp frågan om tidens riktning, något som definitivt inte är så självklart som man kanske vill tro. Och till slut kommer vi till frågorna om tidens början och slut.

7 Frågorna och försöken till svar säger en hel del om huvudfrågan. Låt oss starta med hur vi uppfattar tiden, och vad vi kanske menar med att förstå.

8 Som Augustinus och Momo och många fler konstaterar: vi vet inom oss vad tiden är, men vi kan inte ta på den. Vi kan inte se den som en doft eller en vind.

9 Vad vi ser som tid hänger klart samman med klockor. Se dem i en vid mening: Klockor är allt som mäter tid, och därmed något grundläggande som beskriver tidens gång.

10 En kanske rättvisare jämförelse borde vara avstånd. Vi kan beskriva vägar; hur vi skall finna något speciellt, men vi kan inte beskriva tidens gång. Jag viss se förståelse som något vi kan tolka i våra hjärnor.

11 Detta hör samman med vår biologiska funktion och hur den utvecklats i evolutionen. Det är viktigt för överlevnad att ha en bra bild av olika platser, sådant man skall undvika och platser där man kan finna mat. Det gäller alla levande djur. Däremot är det inte så viktigt att på detta sätt förstå vad tiden är den går inte att göra mycket åt. Det är inte något som är direkt förknippat med överlevnad.

12 Naturligtvis har vi en förståelse för tidens gång. Alla levande organismer, och också vi själva har inbyggda klockor som styr mycket av våra liv. Grundläggande processer i celler i allt liv har flera, komplicerade funktioner som fungerar som programmerade klockor; efter viss tid skall en sorts process stängas av och andra sättas igång. Dygnsrytmer och dagarnas längd påverkar detta, men det finns rytmer som oberoende av sådant som håller reda på vad olika individer skall göra. Som när det är tid att flytta hem och bilda familj.

13 Den bild vi ser av vår omvärld är inte en kamerabild utan en bild tolkad av våra hjärnor, baserad på synintryck. Man kan fråga sig om det är en bild av verkligheten, vad det innebär. Rätt säkert är att det är en bild som är viktig för våra liv, för att kunna finna vad vi behöver och hitta runt i världen. Vad tiden beträffar kan vi konstatera att den bild vi ser är inte vad som sker nu, utan, som sagt, en tolkad bild baserad på synintryck, någon bråkdels sekund tidigare.

14 Därmed kan jag undvika att tala om vad som menas med nu. Det är gränsen mellan vad som har hänt och vad som skall ske, och det kan räcka.

15 Finns olika sorts tider? Helt klart finns olika slags klockor. Som sades i det inledande citatet en timme kan gå oerhört fort, men också verka hemskt utdragen. Våra inre klockor verkar gå långsamt när vi har lite att göra och känner oss uttråkade, medan de går snabbt när vi har mycket att göra och tiden inte räcker till.

16 Tiden visar sig genom förändringar. I en värld utan förändringar finns ingen tid. Vi ser inte tiden och tidens flöde utan vi ser förändringar. Och klockors mekanismer är byggda på förändringar. Man kan göra klockor som går långsamt och klockor som går snabbt. Därmed kan vi tala om olika tider och olika klockor.

17 Alla naturvetenskapens grundläggande grundprinciper handlar om förändringar i tiden, till exempel rörelser. Newtons rörelseekvationer liksom andra naturlagar som kvantmekanik och relativitetsteori beskriver förändringar när föremål påverkas av krafter. Därmed ger det också en definition av tiden Ännu mer; De ger en universell tid. Det är samma grundläggande tid det är fråga om, som kan uppfattas som naturvetenskaplig, universell tid, En grund för allt som sker och skett i universum Åtminstone sedan13 miljarder år.

18 Och denna tid kan mätas med en oerhörd precision, större än något annat. Definitionen av tid grundas på atomklockor grundade på strålning från ämnen med en mycket väldefinierad frekvens. 1 sekund är definierad som tiden mellan svängningar från en speciell isotop av grundämnet cesium. Den nuvarande precisionen föl en atomklocka är sådan att en klocka som startat under dinosauriernas tid för hundra miljoner år sedan skulle i dag visa tiden som, gått sedan dess med en noggrannhet på cirka en sekund.

19 Men nu till ett helt annat, centralt begrepp: Tidens riktning. Visst verkar det självklart: Vi föds, lever och dör. Inte tvärt om. Vi kommer ihåg vad som hände i går, men inte vad som händer i morgon. Det verkar självklart, något som hör ihop med all tid. Vad finns för problem här?

20 I de enklaste, renodlade fysikaliska processerna finns ingen tidspil. Processer är identiska om tidsriktningen ändras.

21 Ett direkt sätt att beskriva en tidspil är att filma en händelse och sedan jämföra visning i verklig och omvänd riktning. Oftast ser man en klar skillnad; den omvända riktningen verkar visa vad vi uppfattar som orimligt. Ett typiskt exempel som ibland visas är en simhoppare som dyker, men omvänt slängs upp ur vattnet till en trampolin Det uppfattas som helt orimligt.

22 Ett biljardklot som kolliderar med ett annat är just en renodlad situation som ser ut att vara helt rimlig både på en film som är tagen normalt och den omvända. En kollision mellan biljardklot och dess omvändning är under förutsättningar som är väl uppfyllda i princip båda väl beskrivna av fysikens grundlagar. Utveckla detta. Man startar med ett antal klot som i en ordnad struktur och ett klot som skjuts mot dessa. Kloten sprids sedan med olika hastigheter åt olika håll.

23 Den omvända processen innebär ett antal klot som rör sig, till synes oordnat, och kolliderar med andra biljardklot. Slutresultatet blir en ordnad struktur med klot som ligger stilla och ett klot som rör sig från dessa.

24 Vi vet alla att det är enklare att köra en bil ut från en parkeringslucka än att köra in i samma lucka. Men en bil som kör ut, kör samma väg som perfekt leder in. Läget i luckan är begränsad. Det är viktigt att komma in med viss precision. Kör man ut måste man inte komma till ett bestämt läge.

25 För komplicerade händelser blir processerna mer komplexa. En simhoppare som dyker i en bassäng från en trampolin kommer ner i vattnet, skjuter undan vatten (vilket innefattar närmast oräkneliga vattenmolekyler). De hejdar simhopparen och startar en rörelse bland alla vattenmolekyler. Den omvända processen innebär en simmare som påverkas av en välordnad rörelse av alla vattenmolekyler som skulle kunna lyfta upp simmaren och slänga upp honolm/henne till trampolinen. Det är inte orimligt enligt fysikens lagar, men innefattar en enorm ordnad rörelse hos alla vattenmolekyler.

26 Detta är vad som beskrivs av termodynamikens andra huvudsats. Typiska grundprocesser är luft som strömmar ut i ett (i det närmaste) lufttomt rum och snart fyller hela rummet, Motsatsen där luft spontant komprimeras och skapar ett lufttomt rum är en orimlig händelse. Temperaturskillnader utjämnas (om det inte finns någon speciell mekanism som motverkar det hela). Man kan inte få en spontan temperaturskillnad i ett system som ursprungligen jämn temperatur. Sådant innebär processer som kräver mycket speciell inordning av grundläggande komponenter med rörelser.

27 Sådant uppfattas ofta som en tendens för system att bli oordnade. Kloten i biljardspelet blir mer oordnade, det är alltför speciellt att uppnå ordning. Simhopparen orsakar en oordning i vattnet; den omvända processen skulle innebära en mycket speciell ordning. Oordningen innebär ofta en utjämning: en jämn fördelning av luftmolekyler i ett rum eller en jämn temperatur.

28 I fysiken beskrivs detta av det svårbegripliga begreppet entropi, som oftast uppfattas som ett mått på oordning.

29 Termodynamikens tendens är att leda mot vad som uppfattas som jämvikt, tillstånd med vad som ses som maximal entropi, maximal oordning, maximal utjämning. En värld helt i jämvikt är helt utjämnad, utan struktur utan möjlighet till förändring och därmed utan tid.

30 Allt leder inte på ett enkelt sätt till oordning Kemiska reaktioner som förbränning innebär också processer mot ökad entropi. Men de sker långsamt eller inte alls vid normala temperaturer. De kan kräva att antändas för att komma igång och leda mot jämvikt. Exempel bensin och syre.

31 Processer som enligt grundprinciperna skulle gå mot jämvikt sker inte på ett enkelt sätt. Sådant är väsentligt för oss. Det innebär att speciella processer kan utnyttja termodynamikens tendenser och kan bygga upp speciella, viktiga ämnen för oss. Detta sker utan att allt går mot jämvikt. De nya ämnena som byggs upp är inte i jämvikt.

32 Kärnreaktioner går ännu mindre på ett enkelt sätt mot jämvikt Som kemiska reaktioner är kärnreaktioner inte i jämvikt För att de ska leda mot jämvikt krävs mycket höga temperaturer ( i solen 10 miljoner grader), Och speciellt situationer i stjärnexplosioner som supernovor, Som leder till olika ämnen som sedan är väsentliga i senare sol- och planetsystem.

33 Kärnreaktioner i solens är grunden för solstrålning och ett inflöde av energi till jorden Det är en förutsättning för livet på jorden, och också grunden till alla aktivitet på jorden, även till sådant som tropiska oväder och ojämna klimateffekter.

34 Solens reaktioner och dess strålning påverkar hela planetsystemet och dess utveckling. Kärnreaktionerna i solen blir alltmer effektiva och solen blir successivt varmare. Om det inte utvecklats fotosyntetiska organismer som lett till en syreatmosfär istället för en koldioxid-dominerad skulle jorden kanske varit alltför het för liv och troligen helt annorlunda än i dag.

35 Solens ökande värme kommer så småningom (om flera hundra miljoner år) att leda till att jordens hav kokar bort livet som finns idag kommer att få det allt svårare även utan människans påverkan. Ännu senare, när solens kärnreaktioner börjar gå mot sitt slut kommer solen att växa och då sluka upp den vid den tiden kan ske obeboeliga jorden.

36 Sedan slocknar solen helt och vårt planetsystem blir en allt kallare komponent i vår galax. Men ännu mer spektakulära processer väntar, och det kan vara på sin plats att fortsätta med den stora frågan om tidens början, utveckling och slut.

37 Hur är det med tidsresor? Kan man i enlighet med en del filmer och science fiction historier konstruera en maskin som transporterar oss till en annan tid? Det verkar orimligt på flera sätt. En människa skulle resa bakåt i tiden och möta sig själv. Vad skulle det betyda? Vad som diskuterats mycket är möjligheten att en person reste bakåt i tiden och mördade sin farfar; därmed göra det omöjligt att senare födas.

38 Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver komplicerade förhållanden i rum och tid. Man har visat att i denna matematiska teori finns möjligheter för vägar som går bakåt i tiden genom vad som kallas maskhål. Man vet dock mycket lite om hur detta fungerar och det finns inga praktiska resultat om vad som kan transporteras i dessa maskhål.

39 Vad som framförallt sagts är att dessa maskhål skulle kunna bryta mot orsak-verkan samband (kausalitet). En verkan skulle komma före dess orsak. Personer som tagit tidsresor på allvar har hävdat att maskhålen skulle vara förknippade med inbyggda restriktioner som skulle hindra sådana effekter. Troligen gäller starkare regler än så. Det verkar inte troligt att människor kommer att utveckla tidsmaskiner och fara bakåt i tiden. Förresten, om det skulle bli möjligt i en framtid, varför har man inte sett något spår från sådana tidsresor?

40 Det verkar rimligt att maskhål (om sådant finns) bara fungerar för renodlade situationer (Jämför processer som bryter mot en tidspil) Antagligen är de mycket trånga och bara öppna för mycket små, enstaka partiklar Och speciellt inte för sammansatta strukturer (som människor)

41 Tidens början, utveckling och slut Låt mig då komma till Tidens och Universums hela historia. Har de alltid funnits? Eller fanns det en start? Om det fanns en början (vilket man tror): Hur började det? Hur utvecklades det? Var kommer vår jord och livet på jorden in?

42 Början Big Bang Många observationer pekar klart på att universum och därmed också tiden startade som en kraftig expansion av ett mycket komprimerat tillstånd. Det vi kallar Big Bang.

43 Före Big Bang För ett så enormt komprimerat tillstånd som man anser gällde som utgångstillstånd finns ingen allmänt accepterad teoretisk beskrivning inget som kan ge en klar grund för hur tiden startat. Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver av expansion från ett oändligt komprimerat tillstånd Dess tolkning är att rum och tid startade vid Big Bang Det fanns inget före.

44 Det finns nu många spekulationer om en underliggande mycket komprimerad värld, som också handlar om flera världar multiversa som uppstått likt vårt universum Dessa världar kan ha utvecklat olika grundlagar och kan utvecklas på olika sätt. Det finns inga möjligheter att se och studera dessa multiversa, vad en del hoppas på är att de på något sätt kan ge spår i vårt universum.

45 Speciellt kan en sådan bild förklara varför Våra grundlagar är så speciella. Om inte vissa naturkonstanter är som de är skulle inte stjärnor kunna bildas och lysa Och liv i varje fall i den form vi känner skulle inte kunna uppstå och utvecklas.

46 Tidig utveckling av universum Vår kännedom om materien ger möjlighet att beskriva de tidigaste skedena i universums expansion. Energitätheten var mycket hög och därmed också temperaturen. Är de alltför höga kan inte materia som vi känner den bildas. Det omfattar också de grundläggande beståndsdelarna som protoner och neutroner Och ännu högre grad atomer och atomkärnor

47 Fortsatt expansion När expansionen fortsatte, minskade energitäthet och också temperatur. Det ledde till situationer som vi känner till När universum var ungefär en sekund gammal kunde partiklar av det slag som sätter samman all materia i dag att stabiliseras. Under en kort tid, några minuter efter den stora smällen kunde några av de enklaste atomkärnorna bildas, speciellt tungt väte, helium och litium. Inget mer

48 Atomkärnor möjlighet till test Huvudparten av universums lätta atomkärnor bildades under de första minuterna. Dessa processerna är kända och man kan jämföra proportionen av dessa ämnen i universum med beräknade resultat De visar god överensstämmelse och ses som en viktig bekräftelse av får bild av dessa skeden.

49 Universum som ogenomskinligt plasma Atomkärnor fanns men det dröjde några hundratusen år innan universum avkylts tillräckligt för att bilda atomer och vad vi ser som materia. Universum bildade då vad vi kallar ett plasma: en blandning av joner elektriskt laddade partiklar Som också ger elektromagnetisk strålning (ljus). Den strålningen finns kvar (bakgrundsstrålning) och ger också information om universums utveckling Hela universum var homogent, ständigt lysande, ogenomskinligt.

50 Först efter några hundratusen år hade temperaturen blivit tillräckligt låg för att atomer skulle kunna bildas Det gav också möjligt att bilda stjärnor. Och härifrån är universums utveckling mer som vi tänker oss. Med stjärnor de första huvudsakligen av väte och helium. Dessa stjärnor utvecklades under miljontals år innan de slutade med kraftiga explosioner genom komplicerade kärnreaktionen som ledde till tyngre ämnen som i dag bildar planeter och också liv.

51 Astronomen ser bakåt i tiden När astronomer studerar världsalltet är det viktigt att observera att det har tagit en lång tid för ljuset från en viss stjärna innan det nått vår jord och astronomens instrument ljuset har en bestämd hastighet och avstånden är astronomiskt stora. Man ser därmed bakåt i tiden. Det finns möjligheter att bestämma avstånd och tid till de iakttagna himlakropparna, vilket kan ge information om universums tidigaste perioder och också hur universums utvidgning fortskrider.

52 Universums, jordens ålder Man kan inte se längre än till plasmaperioden, men man kommer ändå nära Big Bang genom at se avlägsna stjärnor vars avstånd man kan komma åt. På det sättet har man funnit en rätt accepterad ålder av universum (från Big Bang), på 13,75 miljarder ( ) år Det är ungefär 3 gånger längre än jordens ålder på ungefär 4,5 miljarder år.

53 Universums utvidgning ökar Under de senaste 15 åren har man funnit att universums utvidgning ökar, vilket påverkar bilden av universums och tidens slut. På 90-talet när jag gav motsvarande föredrag fanns en allmän uppfattning att universums utvidgning skulle stanna upp och vändas till sin motsats; en hopdagning som slutade med vad som liknar utgångspunkten: A big crunch Den stora kraschen; ett hett komprimerat tillstånd.

54 Slutet: isolerade världar i ett ständigt växande universum Men efter de senaste, observationerna att universums utvidgning ökar, kommer man till en annan bild, ett universum som växer, blir allt större och också kallare. Det leder till en värld där stjärnor brinner ut och nya inte kan nybildas då avstånden blir alltför stora. Kvarvarande himlakroppar att bli helt isolerade utan möjligheter att göra observationer av övriga delar och inte heller om vad som har varit.

55 Vid 1800-talets slut när man började få grepp om termodynamikens tidspil började man med viss fasa tala om en värmedöd ; en värld med maximal entropi, maximal utjämning, begrepp som väcker viss fasa. Men dagens slutscenario är ännu värre. Vilket uttrycks av Victor Rydbergs dikt Livslust och livsleda. Världsalltet nalkas sin eviga vila. Värmen fördelar sig allt jämnare i rymden och när fördelningen är avslutad upphör rörelse och liv. Allt försvinner i omedvetenhetens natt. Men den siste glädjejublaren skall tystna då Herren sveper kring ljuset mörkrets dok Och breder den stora natten över oss under oss

56 Men det är lång tid till dess Människor kommer att leva kvar på jorden under lång tid, kanske utvecklas på sätt som vi nu inte vet något om. Med dessa tidsperspektiv är människans tid på jorden väldigt liten. Och en människoålder försvinnande. Liv kan knappast finnas kvar till slutet, men nytt liv finns kanske i andra multiversa, även om vi aldrig kan få kunskap om dem