Čas je koncept, kterému všichni nějak intuitivně rozumíme a který je úzce spojený s našimi životy. Takové koncepty je většinou těžké se vším všudy zahrnout do našich fyzikálních teorií, kde je nutně musíme omezit matematickými mantinely a přesnou definicí. Není proto divu, že čas v různých fyzikálních teoriích hraje trochu jiné úlohy. Každá teorie zkrátka modeluje trochu jiný aspekt naší komplexní, ale nepřesné a rozmazané každodenní zkušenosti s časem.

Čas běží dopředu

Důležitou vlastností času je jeho směrovost: čas v naší každodenní zkušenosti běží dopředu. Nikdo z nás nemládne. Rozbitá sklenice se samovolně nesloží. Hory neustále obrušuje eroze. Když nám někdo pustí video pozpátku, je většinou poměrně snadné to poznat.

Tento aspekt času velmi dobře popisuje termodynamika. Definuje totiž veličinu zvanou entropie, kterou můžeme u každého objektu (alespoň teoreticky) změřit a která nám umožňuje určit směr času: čas běží dopředu, když entropie celého vesmíru roste [1]. Může se stát, že na nějakém místě ve vesmíru entropie lokálně klesne (například sklář vyrobí sklenici z hromady střepů, evolucí vznikne komplikovanější organismus). To ale znamená, že jinde musela entropie dostatečně stoupnout, aby tento pokles vykompenzovala (sklář na to musel spálit spoustu uhlí v peci, Slunce muselo přeměnit spoustu vodíku na helium). Více o entropii si můžete přečíst v odpovědi na dotaz číslo 915 (viz sekce Další čtení na konci).

Kauzalita (příčinnost)

Směrovost je úzce propojená s další vlastností času, takzvanou *kauzalitou* neboli příčinností. Některé události ve vesmíru jsou *kauzálně propojené*, tedy jedna způsobila či ovlivnila tu druhou. Například pokud si při odjezdu na zahraniční dovolenou zapomenu doma pas, nebudu moci překročit hranici. Jedna událost –⁠⁠⁠⁠⁠ zapomněl jsem pas –⁠⁠⁠⁠⁠ způsobila jinou –⁠⁠⁠⁠⁠ nedostal jsem se přes hranice.

Kauzalita je velmi dobře popsaná teorií relativity [2]. Ta pro každou událost přesně říká, které události ji mohly ovlivnit a které naopak může ovlivnit ona. Na tohle pouze termodynamika nestačí. Pokud totiž podle měření pozorovatele událost A předchází událost B, ještě to neznamená, že událost A mohla událost B ovlivnit či způsobit. Mohlo se totiž stát, že se obě události staly tak daleko od sebe, že žádná informace nemohla stihnout z místa události A do místa události B přecestovat, aby mohla událost B ovlivnit. To proto, že teorie relativity omezuje maximální možnou rychlost putování informace ve vesmíru rychlostí světla ve vakuu. Je dokonce možné, že se ne všichni pozorovatelé shodnou na pořadí událostí A a B.

Měřitelnost času

Už umíme seřadit události v čase a umíme určit, které události mezi sebou mohly mít kauzální vztah (které události mohly ovlivnit jiné). Všichni ale víme, že čas se dá navíc *změřit*. Existují přístroje (např. hodiny), které jsou schopny měřit, jak daleko jsou od sebe události v čase vzdálené. Termodynamika ani teorie relativity příliš neřeší, jak přesně čas změřit. Měření se naopak velmi zblízka věnuje kvantová mechanika.

V kvantové mechanice můžeme hodiny a proces měření namodelovat a připsat tak času pozorovatelnou veličinu [3]. Tím dosáhneme jeho *kvantování* zmiňovaného v otázce. Čas, který přečteme na hodinách, je tak z pohledu kvantové mechaniky měřitelná veličina jako každá jiná (třeba pozice, hybnost či energie).

Problémy kvantové mechaniky s časem

Tím ale příběh nekončí. Čas, který přečteme na hodinách, totiž bohužel není přesně ten stejný čas, o kterém mluví teorie relativity. Teorie relativity potřebuje takzvaný časoprostor – jeviště, na kterém se odehrávají události. „Kvantovat“ časoprostor je složité a moderní fyzika si stále není jistá, jak to správně udělat (říká se tomu kvantová gravitace). Návrhů padlo za posledních sto let spoustu [4, 5], žádný ovšem kvantovat časoprostor uspokojivě nedokázal. Stále dokonce není shoda ani na tom, co přesně vlastně kvantovat časoprostor znamená [6].

Jedním z „problémů“ je, že kvantová mechanika a teorie relativity fungují tak dobře, že jsme ještě nenašli fyzikální experiment, který by prokazatelně nedokázaly přesně předpovědět. Je proto těžké vědět, kde hledat. Nové fyzikální teorie historicky většinou vznikly proto, aby vysvětlily experiment, který dosavadní teorie vysvětlit nedokázaly. Nyní je situace jiná: naše současné teorie všechny fyzikální experimenty, které dokážeme sestrojit a kde výše zmíněné teorie dokážeme aplikovat, vysvětlit dokážou. Když se ale pokusíme popsat chování hmoty a energie v celém vesmíru najednou, nevíme, jak na to. Pokud nemáme takový experiment, nemáme jak mezi teoriemi kvantové gravitace najít tu správnou. Pokud dvě teorie předpovídají přesně všechny dosavadní experimenty, nemáme definitivní nástroj, jak jednu upřednostnit před druhou.

Co s tím?

Jak najít experiment, jehož výsledky by současné teorie předpovědět nedokázaly? Jednou z možností by mohl být urychlovač částic LHC v CERNu. V něm vědkyně a vědci urychlují protony a jiné částice na více než 99,999999 % rychlosti světla a nechávají je srážet (v sekci Další čtení najdete pěkný výpočet rychlosti protonů). Doufají, že v takto extrémních podmínkách současné teorie selžou a my budeme mít co vysvětlovat. Zatím se to však nestalo. Naopak některé možnosti, jak kvantovat časoprostor, předpověděly, že by LHC při energii srážek, které dosahuje, měl objevit nové částice. Protože se tak nestalo, tyto teorie byly experimentálně vyvráceny [7]. To je případ některých supersymetrických teorií.

Supersymetrie je skupina teorií, která pro každou základní částici hmoty (těm říkáme fermiony, třeba elektron) předpovídá existenci tzv. superpartnera, který je částicí silového pole (těm říkáme bosony, například foton – částice světla, tedy elektromagnetického pole), a naopak –⁠⁠⁠⁠⁠ pro každou částici silového pole předpovídá existenci superpartnera hmoty. Například pro foton by tak měl podle supersymetrických teorií existovat superpartner fotino, který by měl být fermion.

Další možností je studium blízkého okolí černých děr [8]. V těchto oblastech je extrémně silné gravitační pole a domníváme se, že právě v takovýchto podmínkách by současné teorie mohly selhat.

S první přímou detekcí gravitačních vln v roce 2015 se otevřela také možnost hledat v nich kvantové efekty [9]. Ty, pokud skutečně existují, totiž současné teorie popsat nedokážou a byly by přímým pozorováním kvantování časoprostoru, protože u gravitačních vln se vlní časoprostor sám.

Zajímavou možností je také studovat gravitační pole vytvářené předměty o hmotnosti v řádu gramů [10–⁠⁠⁠12]. U předmětů na této škále dokážeme v laboratoři pozorovat kvantové jevy, v jejich gravitačním poli bychom proto mohli přímo pozorovat průnik gravitace a kvantových efektů. Jelikož podle teorie relativity je gravitace projevem zakřivení časoprostoru, takové měření by nám mohlo s kvantováním časoprostoru pomoct. Gravitační pole vytvářená takovými předměty jsou však extrémně slabá a jejich měření je tak velmi obtížné, zatím se proto tyto experimenty nepodařilo provést.

Není vůbec jasné, kam to všechno nakonec povede a jestli se nám vůbec někdy podaří současné teorie překonat. Těžko proto předpovědět, co nám případná nová teorie řekne o skutečné povaze času. Navíc taková otázka možná ani není otázka pro fyziku a spíše se hodí pro filozofii. Fyzikální teorie jsou nakonec matematické modely a ty je většinou možné filozoficky interpretovat různými způsoby, které jsou z fyzikálního pohledu všechny stejně správně.

Typicky je taková situace v kvantové mechanice. Sto let od její první formulace stále existují různé „interpretace“ (např. kodaňská, intepretace mnoha světů, qbismus, de Broglie-Bohmovská teorie…), tedy vlastně filozofické pohledy na svět slučitelné se závěry kvantové mechaniky. Tyto pohledy často nabízejí zcela protichůdné závěry o realitě. Navíc ani sebelepší teorie nemusí být úplně přesně správně (a co to vůbec znamená „úplně přesně správně“?). Není proto vůbec jasné, jak vážně bychom měli brát její (navíc nejasné) filozofické závěry. Kauzalita a směrovost času ale vypadají velmi úzce spjaté s naším vesmírem a jen těžko si lze představit teorii slučitelnou s naším vesmírem, která by je popřela.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Jonáš