Czas nie płynie tak, jak myślimy. Fizyka ma na to dowody

Natura czasu i fizyka: strzałka czasu bez powrotu

W fizyce klasycznej czas był prosty: Newton widział go jako absolutny, uniwersalny strumień, płynący równo dla wszystkich. Jednak w XX wieku wszystko się zmieniło. Albert Einstein w swojej teorii względności pokazał, że czas jest elastyczny – zależy od prędkości i grawitacji.

Dla astronauty na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) czas płynie wolniej o ułamek sekundy niż na Ziemi. Eksperymenty z zegarami atomowymi na pokładzie samolotów potwierdziły to już w latach 70. XX wieku: różnica wynosiła zaledwie nanosekundy, ale była mierzalna.

Jednak prawdziwą tajemnicą jest „strzałka czasu” – nieodwracalny kierunek, w którym płynie wszechświat. Dlaczego nie możemy cofnąć filmu rzeczywistości? Odpowiedź leży w entropii, koncepcji wprowadzonej przez Rudolfa Clausiusa w 1850 r., a rozwiniętej przez Ludwiga Boltzmanna.

Dlaczego nie da się cofnąć czasu

Entropia to miara nieporządku w systemie. Według drugiej zasady termodynamiki, w izolowanym układzie entropia zawsze wzrasta lub pozostaje stała. Rozlany kubek mleka nie wróci do naczynia sam z siebie – to wymagałoby zmniejszenia entropii, co jest statystycznie nieprawdopodobne.

Ludwig Boltzmann pokazał, że procesy prowadzące do zmniejszenia entropii nie są fizycznie niemożliwe, lecz statystycznie skrajnie nieprawdopodobne. Samorzutne „odwrócenie” zdarzeń takich jak rozbite jajko czy rozlane mleko wymagałoby jednoczesnego i precyzyjnego ruchu ogromnej liczby cząstek – czego prawdopodobieństwo jest tak małe, że w praktyce nigdy nie zachodzi w makroskopowym świecie.

Eksperymenty prowadzone m.in. w CERN wykazały, że w rozpadach niektórych cząstek elementarnych (np. kaonów i mezonów B) występuje naruszenie symetrii CP, czyli sytuacji, w której prawa fizyki nie działają identycznie dla materii i antymaterii w „lustrzanym” odwróceniu świata.

Innymi słowy, to oznacza, że procesy te nie są identyczne przy odwróceniu czasu. Jest to jednak specyficzna cecha oddziaływań słabych i nie stanowi bezpośredniego wyjaśnienia termodynamicznej strzałki czasu, lecz pokazuje, że asymetria czasowa może mieć również źródła na poziomie fundamentalnych praw fizyki.

Entropia: siła, która prowadzi czas

Entropia nie jest abstrakcją – to codzienna rzeczywistość. We wszechświecie, który zaczął się od Wielkiego Wybuchu (niska entropia, wysoki porządek), wszystko dąży do maksymalnego nieporządku.

Gwiazdy wypalają się, galaktyki rozpraszają, a nasze ciała starzeją się. Stephen Hawking w Krótkiej historii czasu (1988) pisał, że strzałka czasu jest termodynamiczna: gdyby entropia malała, pamiętalibyśmy przyszłość, a nie przeszłość.

Obserwacje teleskopu Jamesa Webba dostarczyły szczegółowych danych o bardzo wczesnych etapach formowania się galaktyk, pokazując, że złożone struktury pojawiły się szybciej, niż przewidywały wcześniejsze modele.

Choć nie mierzą one entropii wprost, wzmacniają one przekonanie, że Wszechświat rozpoczął swoje istnienie w stanie wyjątkowo niskiej entropii — co pozostaje jednym z największych problemów współczesnej kosmologii. To sugeruje, że na początku czasu entropia była ekstremalnie niska, co jest jednym z największych paradoksów: dlaczego wszechświat zaczął się w stanie wysokiego porządku?

Entropia wszechświata: dlaczego porządek zanika

Roger Penrose, laureat Nagrody Nobla w 2020 r. za badania nad czarnymi dziurami, zaproponował hipotezę konforemnej kosmologii cyklicznej, w której kolejne „eony” Wszechświata następują po sobie, a problem narastającej entropii zostaje rozwiązany na bardzo długich skalach kosmicznych.

Ciekawostka: W 2024 r. eksperymenty z kwantowymi symulacjami w IBM Quantum pokazały, że w małych układach można „odwrócić” entropię lokalnie (np. w qubitach), ale tylko kosztem wzrostu entropii w otoczeniu. To jak ochłodzenie lodówki – chłodzi wewnątrz, ale grzeje na zewnątrz.

Iluzja czasu i mózg — jak go postrzegamy

Nawet jeśli fizyka opisuje czas precyzyjnymi równaniami, nasz umysł doświadcza go w sposób głęboko subiektywny. Neurolodzy, tacy jak David Eagleman, pokazują, że percepcja czasu nie jest stała, lecz zależy od uwagi, emocji i kontekstu.

W sytuacjach stresu lub zagrożenia czas może wydawać się „zwolniony” — nie dlatego, że mózg przetwarza więcej informacji w danej sekundzie, lecz dlatego, że zdarzenie zostaje zapisane w pamięci z większą liczbą szczegółów, co retrospektywnie daje wrażenie wydłużenia chwili.

Filmowy efekt slow motion nie jest więc wyłącznie zabiegiem estetycznym, lecz trafnie odzwierciedla sposób, w jaki ludzka świadomość interpretuje intensywne doświadczenia. Badania neuroobrazowe pokazują, że struktury takie jak hipokamp i kora przedczołowa odgrywają kluczową rolę w porządkowaniu zdarzeń w czasie i nadawaniu im ciągłości. Teraźniejszość bywa opisywana jako tzw. rozciągnięta chwila obecna, trwająca rzędu kilku sekund — pojęcie to ma charakter modelu poznawczego, a nie obiektywnej jednostki czasu.

Granice poznania czasu

Dane: W eksperymencie z 2023 r. (powtórzonym w 2025) uczestnicy oceniali czas krótszy o 20 proc. podczas nudy i dłuższy o 15 proc. podczas ekscytacji. To echo buddyjskiej idei, że czas jest iluzją umysłu (maya), ale naukowo to biologia: rytm okołodobowy, regulowany przez geny takie jak CLOCK i PER, które wpływają na cykle snu, czuwania i hormonalną organizację czasu biologicznego, choć nie determinują bezpośrednio subiektywnego odczuwania krótkich odcinków czasu.

Granice poznania: Mózg ewoluował do radzenia sobie z makroskalą, nie kwantami. Jak mówi Carlo Rovelli w Porządku czasu (2018):

„Jestem przekonany, że czas nie istnieje. Sądzę, że można opisać przyrodę, nie używając pojęć czasu, jak i przestrzeni, a wyrzucenie ich z języka okaże się użyteczne i przekonujące. Pojęcia czasu i przestrzeni to tylko pewne przybliżone pojęcia, których używa nasz umysł, żeby wyobrazić sobie rzeczywistość”.

W kwantowej grawitacji (teoria pętli kwantowej Rovelliego) czas nie jest fundamentalny, tylko wynika z interakcji.

Czy kiedykolwiek zrozumiemy czas?

Tu dochodzimy do sedna: czas może być poza naszym zasięgiem. Immanuel Kant (XVIII w.) twierdził, że czas to aprioryczna forma poznania – nie „rzecz sama w sobie”, ale filtr umysłu.

Współczesna fizyka zgadza się częściowo: w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnych dziur, zgodnie z ogólną teorią względności, czas dla zewnętrznego obserwatora ulega ekstremalnemu spowolnieniu — choć lokalnie, z perspektywy obiektu wpadającego do czarnej dziury, jego upływ pozostaje ciągły.

Dane z projektu DESI pozwalają z coraz większą precyzją opisywać tempo ekspansji wszechświata i własności ciemnej energii, potwierdzając, że kosmiczna przestrzeń rozszerza się w sposób przyspieszony.

Choć odkrycia te nie mówią bezpośrednio o naturze czasu, pokazują, jak dynamiczna i ewoluująca jest struktura czasoprzestrzeni. Brak kompletnej teorii kwantowej grawitacji sprawia jednak, że wciąż nie wiemy, czy czas miał absolutny początek, czy też jest zjawiskiem cyklicznym lub emergentnym.

Granice poznania: czy czas da się zrozumieć?

Ciekawostka: Badania nad tzw. kryształami czasu prowadzone m.in. w laboratoriach kwantowych pokazały, że w bardzo specyficznych układach kwantowych możliwe są periodyczne struktury czasowe, które łamią intuicyjne wyobrażenie o jednorodnym upływie czasu

Być może nigdy nie zrozumiemy czasu w pełni, bo jesteśmy jego częścią. Jak pisał Hawking: „Prawa fizyki nie rozróżniają kierunków upływu czasu do przodu i wstecz. Istnieją jednak co najmniej trzy strzałki czasu odróżniające przeszłość od przyszłości”. W erze, gdy AI symuluje wszechświaty, a my mierzymy się z paradoksami, czas pozostaje wyzwaniem. Czy to granica nauki, czy okazja do pokory? Odpowiedź płynie z czasem.

Przeczytaj również: Czas ma aż trzy wymiary, nie jeden. Rewolucyjna teoria naukowca