Stephen Hawking: Το βέλος του Χρόνου

Οι απόψεις μας για τη φύση του χρόνου μεταβλήθηκαν προοδευτικά . Ως τις αρχές του αιώνα μας οι άνθρωποι πίστευαν σε έναν απόλυτο χρόνο· πίστευαν δηλαδή ότι σε κάθε ένα γεγονός αντιστοιχούσε με μονοσήμαντο τρόπο ένας αριθμός — ο «χρόνος» του γεγονότος — και σε κάθε δύο γεγονότα ένας άλλος — το «χρονικό διάστημα» μεταξύ τους.

Όλοι οι παρατηρητές θα συμφωνούσαν για τους χρόνους των γεγονότων και τα χρονικά διαστήματα μεταξύ τους, αν τα ρολόγια τους ήταν σωστά ρυθμισμένα και συγχρονισμένα. Όταν όμως ανακαλύφθηκε ότι το φως φαίνεται να έχει την ίδια πάντα ταχύτητα για κάθε παρατηρητή, ανεξάρτητα από το πώς αυτός κινείται, οδηγηθήκαμε στη θεωρία της σχετικότητας —και στην εγκατάλειψη της ιδέας του μονοσήμαντα ορισμένου απόλυτου χρόνου. Ο κάθε παρατηρητής έχει τώρα το δικό του μέτρο του χρόνου, όπως τον καταγράφει το δικό του ρολόι' οι διάφοροι παρατηρητές δεν θα συμφωνούν για τους χρόνους των γεγονότων και τα χρονικά διαστήματα μεταξύ τους. Έτσι ο χρόνος έγινε μια περισσότερο υποκειμενική έννοια, σχετική με τον παρατηρητή που τον μετράει.

Όταν προσπαθούμε να ενοποιήσουμε τη βαρύτητα με την κβαντική μηχανική είμαστε αναγκασμένοι να εισαγάγουμε την ιδέα του φανταστικού χρόνου. Η κατεύθυνση στον φανταστικό χρόνο δεν διακρίνεται από τις ανάλογες κατευθύνσεις στο χώρο. Στο χώρο αν κανείς μπορεί να κατευθυνθεί προς το Βορρά, μπορεί να κατευθυνθεί και προς το Νότο, έτσι και στον φανταστικό χρόνο, αν κανείς μπορεί να κατευθυνθεί προς τα εμπρός, προς το μέλλον, θα πρέπει να μπορεί να κατευθυνθεί και προς τα πίσω, προς το παρελθόν. Στον φανταστικό χρόνο δηλαδή, δεν μπορεί να υπάρχει σημαντική διαφορά μεταξύ της κατεύθυνσης προς το μέλλον και αυτής προς το παρελθόν. Αντίθετα, όπως όλοι γνωρίζουμε, στον πραγματικό χρόνο υπάρχει πολύ μεγάλη διαφορά μεταξύ της κατεύθυνσης προς το μέλλον και της κατεύθυνσης προς το παρελθόν. Από πού προέρχεται αυτή η διαφορά;

Γιατί θυμόμαστε το παρελθόν αλλά όχι το μέλλον;
Οι νόμοι της φυσικής δεν διακρίνουν την κατεύθυνση προς το μέλλον από την κατεύθυνση προς το παρελθόν. Παραμένουν μάλιστα αμετάβλητοι αν, υποβληθούν στο συνδυασμό των μετασχηματισμών (ή συμμετριών) γνωστών ως C,P,T. Ο μετασχηματισμός C σημαίνει να αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδιά τους, και αντίστροφα. Ο μετασχηματισμός Ρ σημαίνει να σχηματίσουμε την κατοπτρικά συμμετρική εικόνα κάποιας κατάστασης, έτσι ώστε η αριστερή της πλευρά να γίνει η δεξιά, και αντίστροφα. Και ο μετασχηματισμός Τ σημαίνει να αντιστρέψουμε την κατεύθυνση της κίνησης όλων των σωματιδίων, στην πραγματικότητα δηλαδή να αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του χρόνου, ώστε η κίνηση των σωματιδίων να ακολουθεί αντίθετη φορά.

Οι νόμοι της φυσικής που καθορίζουν τη συμπεριφορά της ύλης σε κανονικές συνθήκες παραμένουν αμετάβλητοι αν υποβληθούν στο συνδυασμό των μετασχηματισμών C και Ρ. Με άλλα λόγια, η ζωή θα ήταν ακριβώς η ίδια για τους κατοίκους ενός άλλου πλανήτη αποτελούμενου από αντιύλη, αντί για ύλη, και που θα ήταν κατοπτρικά συμμετρικοί με εμάς.

Αν οι νόμοι της φυσικής παραμένουν αμετάβλητοι όταν υποβληθούν στο συνδυασμό των μετασχηματισμών C και Ρ ή το συνδυασμό των μετασχηματισμών C, Ρ και Τ, τότε πρέπει να παραμένουν αμετάβλητοι και όταν υποβληθούν στον μετασχηματισμό Τ και μόνον. Παρ' όλα αυτά, στην καθημερινή μας ζωή υπάρχει πολύ μεγάλη διαφορά μεταξύ της κατεύθυνσης προς το μέλλον και εκείνης προς το παρελθόν.

Φανταστείτε ένα γυάλινο ποτήρι που πέφτει από το τραπέζι και γίνεται κομμάτια στο δάπεδο. Κινηματογραφώντας το γεγονός και παρακολουθώντας μετά την ταινία, μπορείτε εύκολα να βρείτε αν προβάλλεται κατά την ορθή φορά ή την αντίθετη. Αν προβάλλεται κατά την αντίθετη φορά θα δείτε τα κομμάτια του γυαλιού στο δάπεδο να συγκεντρώνονται ξαφνικά σε ένα σημείο και να σχηματίζουν ένα ποτήρι που ανυψώνεται και στέκεται πάνω στο τραπέζι.

Μπορείτε να πείτε ότι η ταινία προβάλλεται κατά την αντίθετη φορά γιατί τέτοια συμπεριφορά της ύλης δεν παρατηρείται ποτέ στην καθημερινή ζωή. Αν συνέβαιναν ανάλογα φαινόμενα οι κατασκευαστές γυαλικών θα έχαναν την πελατεία τους.

Η εξήγηση που δίνεται συνήθως στο γιατί δεν βλέπουμε τα κομμάτια του γυαλιού να συνενώνονται στο δάπεδο και να σχηματίζουν ποτήρια πάνω στα τραπέζια είναι ότι κάτι τέτοιο το απαγορεύει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός αναφέρει ότι σε κάθε κλειστό σύστημα με την πάροδο του χρόνου η αταξία (ή εντροπία) αυξάνεται πάντα. Με άλλα λόγια, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια μορφή του γνωστού γνωμικού «ενός κακού μύρια έπονται», τα πράγματα πάνε πάντα «από το κακό στο χειρότερο»! Ένα γυάλινο ποτήρι πάνω στο τραπέζι βρίσκεται σε κατάσταση τάξης, αλλά ένα σπασμένο ποτήρι στο δάπεδο βρίσκεται σε κατάσταση αταξίας. Ένα φαινόμενο μπορεί να εξελιχθεί στην κατεύθυνση του χρόνου που το ποτήρι πάνω στο τραπέζι (ένα γεγονός του παρελθόντος) καταλήγει στο σπασμένο ποτήρι στο δάπεδο (ένα γεγονός του μέλλοντος), όχι όμως αντίστροφα.

Η αύξηση της αταξίας (ή εντροπίας) με την πάροδο του χρόνου είναι ένα παράδειγμα αυτού που αποκαλείται βέλος του χρόνου. Το βέλος του χρόνου διακρίνει την κατεύθυνση προς το μέλλον από την κατεύθυνση προς το παρελθόν.

Υπάρχουν τουλάχιστον τρία διαφορετικά βέλη του χρόνου.
Υπάρχει το θερμοδυναμικό, που στρέφεται προς την κατεύθυνση όπου αυξάνεται η αταξία. Μετά υπάρχει το ψυχολογικό, που στρέφεται προς την κατεύθυνση όπου αισθανόμαστε ότι «ο χρόνος περνάει, φεύγει»» και θυμόμαστε το παρελθόν αλλά όχι το μέλλον. Τέλος, υπάρχει το κοσμολογικό, που στρέφεται προς την κατεύθυνση όπου το Σύμπαν διαστέλλεται αντί να συστέλλεται.

Σε αυτό το κεφάλαιο θα δούμε ότι η συνθήκη της έλλειψης ορίου του Σύμπαντος και η ασθενής ανθρωπική αρχή μπορούν να εξηγήσουν γιατί και τα τρία βέλη του χρόνου στρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση — και ακόμη γιατί τελικά πρέπει να υπάρχει ένα σαφώς καθορισμένο βέλος του χρόνου. Θα δούμε ότι το ψυχολογικό βέλος του χρόνου προσδιορίζεται από το θερμοδυναμικό, και ότι και τα δύο στρέφονται αναγκαστικά και πάντα προς την ίδια κατεύθυνση.

Αν δεχτούμε τη συνθήκη της έλλειψης ορίου του Σύμπαντος θα δούμε ότι πρέπει να υπάρχουν σαφώς καθορισμένα θερμοδυναμικά και κοσμολογικά βέλη του χρόνου, που όμως δεν πρέπει αναγκαστικά να στρέφονται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Θα δούμε όμως ότι μόνον όταν στρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση, οι συνθήκες στο Σύμπαν είναι κατάλληλες για να αναπτυχθούν νοήμονα όντα ικανά θα θέσουν το ερώτημα:

Γιατί η αταξία αυξάνεται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση του χρόνου, αυτήν όπου το Σύμπαν διαστέλλεται;

Θα αναφερθούμε πρώτα στο θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής προκύπτει από το γεγονός ότι για ένα φυσικό σύστημα οι δυνατές καταστάσεις αταξίας είναι πάντοτε πολύ περισσότερες από τις δυνατές καταστάσεις τάξης. Για παράδειγμα, φανταστείτε τα κομμάτια ενός «παζλ» σε ένα πλαίσιο. Υπάρχει μία και μόνο μία διάταξη όπου τα κομμάτια σχηματίζουν πλήρη εικόνα. Αντίθετα, υπάρχει τεράστιος αριθμός διατάξεων όπου τα κομμάτια βρίσκονται σε αταξία και δεν σχηματίζουν εικόνα.

Ας υποθέσουμε ότι ένα φυσικό σύστημα βρίσκεται κάποια χρονική στιγμή σε μία από τις λίγες δυνατές καταστάσεις τάξης. Με την πάροδο του χρόνου το σύστημα θα εξελιχθεί σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής και η κατάσταση του θα μεταβληθεί. Σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή είναι πιθανότερο το σύστημα να βρίσκεται σε κατάσταση αταξίας παρά σε κατάσταση τάξης επειδή οι δυνατές καταστάσεις αταξίας είναι πολύ περισσότερες από τις καταστάσεις τάξης. Έτσι, αν το σύστημα βρίσκεται αρχικά σε κατάσταση μεγάλης τάξης, με την πάροδο του χρόνου η αταξία θα τείνει να αυξηθεί.

Ας υποθέσουμε ότι αρχικά τα κομμάτια του παζλ είναι διατεταγμένα έτσι που να σχηματίζουν πλήρη εικόνα. Αν αναταράξουμε το πλαίσιο, τα κομμάτια θα βρεθούν σε κάποια άλλη διάταξη. Η νέα διάταξη είναι πιθανότερο να είναι διάταξη αταξίας, όπου τα κομμάτια δεν σχηματίζουν πλήρη εικόνα, απλώς και μόνο επειδή υπάρχουν πολύ περισσότερες διατάξεις αταξίας από διατάξεις τάξης.

Μερικές ομάδες κομματιών μπορεί να σχηματίζουν ακόμη τμήματα της εικόνας, αλλά όσο περισσότερο αναταράζουμε το πλαίσιο τόσο πιθανότερο είναι ότι και αυτές οι ομάδες θα διαλυθούν και τα κομμάτια τους θα βρεθούν σε κατάσταση μεγάλης αταξίας, όπου δεν θα σχηματίζουν πια κανένα τμήμα της εικόνας. Έτσι, αν τα κομμάτια βρίσκονταν αρχικά σε κατάσταση μεγάλης τάξης, αναταράσσοντας το πλαίσιο η αταξία τους πιθανότατα θα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου.

Ας υποθέσουμε όμως πως ο Θεός αποφάσιζε ότι το Σύμπαν πρέπει να βρεθεί στα τελικά του στάδια σε κατάσταση μεγάλης τάξης, ανεξάρτητα σε ποιά κατάσταση βρισκόταν στα αρχικά στάδια του. Είναι πιθανότερο ότι στα αρχικά του στάδια θα βρισκόταν σε κατάσταση αταξίας αφού οι καταστάσεις αταξίας είναι πιθανότερες από τις καταστάσεις τάξης· αυτό σημαίνει ότι στη περίπτωση αυτή η αταξία θα μειωνόταν — και δεν θα αυξανόταν — με την πάροδο του χρόνου. Οι άνθρωποι που θα ζούσαν σε ένα τέτοιο Σύμπαν θα έβλεπαν κομμάτια γυαλιών από το δάπεδο να σχηματίζουν ένα ποτήρι πάνω στο τραπέζι. Αλλά, όπως θα δούμε, επειδή αυτοί οι άνθρωποι θα ζούσαν σε ένα Σύμπαν όπου η αταξία θα μειωνόταν με την πάροδο του χρόνου, το ψυχολογικό βέλος του χρόνου τους θα στρεφόταν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι θα θυμούνταν τα γεγονότα του μέλλοντος τους και όχι του παρελθόντος τους. Όταν τα κομμάτια του γυαλιού θα βρίσκονταν στο δάπεδο, θα θυμούνταν το ποτήρι πάνω στο τραπέζι, όταν όμως το ποτήρι θα βρισκόταν πάνω στο τραπέζι δεν θα θυμούνταν τα κομμάτια του γυαλιού στο δάπεδο.

Είναι αρκετά δύσκολο να μιλήσουμε για την ίδια την ανθρώπινη μνήμη γιατί δεν γνωρίζουμε ακόμη τις λεπτομέρειες της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Γνωρίζουμε όμως πώς ακριβώς λειτουργεί η μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Θα εξετάσουμε λοιπόν το θέμα του ψυχολογικού βέλους του χρόνου για τη μνήμη των υπολογιστών.

Είναι λογικό νομίζω να υποθέτουμε ότι το βέλος του χρόνου για τη μνήμη των υπολογιστών και το αντίστοιχο βέλος του χρόνου για τη μνήμη των ανθρώπων στρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση. Αν δεν συνέβαινε αυτό θα μπορούσε κάποιος, χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή, να θησαυρίσει στο χρηματιστήριο αφού η μνήμη του υπολογιστή του θα θυμόταν τις τιμές των μετοχών της επόμενης ημέρας! Η μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι βασικά ένας μηχανισμός με πολλά στοιχεία που το καθένα τους μπορεί να βρίσκεται στη μία από δύο διαφορετικές δυνατές καταστάσεις. Πριν καταγραφεί η κατάσταση ενός συστήματος πάνω της, η μνήμη βρίσκεται σε κατάσταση αταξίας, με ίσες πιθανότητες και για τις δυο δυνατές καταστάσεις κάθε στοιχείου. Μετά την επίδραση του συστήματος πάνω της, το κάθε στοιχείο της μνήμης θα βρίσκεται οριστικά στην μία ή την άλλη κατάσταση.

Έτσι η μνήμη θα έχει περάσει από μία κατάσταση αταξίας σε μία κατάσταση τάξης. Αλλά για να επιδράσει το σύστημα με πλήρη και οριστικό τρόπο πάνω στα στοιχεία της μνήμης χρειάζεται να καταναλωθεί ένα ποσό ενέργειας. Αυτή η ενέργεια αποβάλλεται τελικά στο Σύμπαν με τη μορφή θερμικής ενέργειας, αυξάνοντας έτσι το ποσό της αταξίας του. Μπορούμε να αποδείξουμε ότι αυτή η αύξηση της αταξίας είναι πάντα μεγαλύτερη από την αύξηση της τάξης στο μηχανισμό της μνήμης. Έτσι η θερμότητα που αποβάλλει ο ανεμιστήρας του υπολογιστή όταν καταγράφεται κάτι στη μνήμη του, σημαίνει ότι εξακολουθεί να αυξάνεται η συνολική αταξία στο Σύμπαν. Η κατεύθυνση του χρόνου όπου ο υπολογιστής καταγράφει το παρελθόν είναι η ίδια με αυτήν όπου αυξάνεται η αταξία του Σύμπαντος.

Η υποκειμενική μας, λοιπόν, αίσθηση του περάσματος του χρόνου, το ψυχολογικό βέλος του χρόνου, προσδιορίζεται στον εγκέφαλο μας από το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου. Ακριβώς όπως ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, πρέπει να καταγράφουμε στη μνήμη μας τα διαδοχικά γεγονότα με τη σειρά του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου που στρέφεται προς την κατεύθυνση όπου αυξάνεται η αταξία. Αυτό κάνει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής να φαίνεται σχεδόν αυταπόδεικτος. Η αταξία αυξάνεται με τον χρόνο γιατί καταγράφουμε το χρόνο προς την κατεύθυνση όπου η αταξία αυξάνεται. Δεν θα μπορούσατε να είστε πιο βέβαιοι για κάτι απ' όσο γι ' αυτό!

Αλλά γιατί πρέπει τελικά να υπάρχει ένα θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου; Ή, με άλλα λόγια, γιατί πρέπει να βρίσκεται το Σύμπαν σε κατάσταση μεγάλης τάξης στην μία άκρη του χρόνου, την άκρη που ονομάζουμε παρελθόν; Γιατί δεν βρίσκεται από πάντα σε κατάσταση απόλυτης αταξίας; Κάτι τέτοιο ίσως φαίνεται ότι θα ήταν πιθανότερο. Και γιατί η κατεύθυνση του χρόνου όπου η αταξία αυξάνεται είναι ίδια με την κατεύθυνση του χρόνου όπου το Σύμπαν διαστέλλεται;

Στην κλασική θεωρία της γενικής σχετικότητας δεν μπορούμε να προβλέψουμε πώς άρχισε να υπάρχει το Σύμπαν γιατί όλοι οι γνωστοί νόμοι της φυσικής καταρρέουν στην ανωμαλία της Μεγάλης έκρηξης. Η αρχική κατάσταση του Σύμπαντος θα μπορούσε να ήταν μια κατάσταση μεγάλης ομοιομορφίας και τάξης.

Κάτι τέτοιο θα οδηγούσε σε σαφώς καθορισμένα θερμοδυναμικά και κοσμολογικά βέλη του χρόνου, αυτά που παρατηρούμε σήμερα. Αλλά θα μπορούσε να ήταν και μία κατάσταση μεγάλης ανομοιομορφίας και αταξίας, οπότε το Σύμπαν θα βρισκόταν από την, αρχή σε κατάσταση απόλυτης αταξίας· έτσι η αταξία δεν θα μπορούσε να αυξηθεί άλλο: θα μπορούσε είτε να παραμείνει σταθερή, οπότε δεν θα υπήρχε ένα σαφώς καθορισμένο θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου, είτε να μειωθεί, οπότε το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου θα στρεφόταν προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτήν του κοσμολογικού βέλους του χρόνου. Καμιά από αυτές τις δύο δυνατότητες δεν συμφωνεί με ό,τι παρατηρούμε σήμερα. Αλλά, όπως έχουμε αναφέρει, η κλασική θεωρία της γενικής σχετικότητας προβλέπει την ίδια της την κατάργηση.

Όταν η καμπυλότητα του χωροχρόνου μεγαλώνει, τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα γίνονται σημαντικά, έτσι η κλασική θεωρία παύει να αποτελεί μια καλή περιγραφή του Σύμπαντος. Για να κατανοήσουμε πώς άρχισε να υπάρχει το Σύμπαν πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μία κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Όπως είδαμε όμως, για να προσδιορίσουμε την κατάσταση του Σύμπαντος χρησιμοποιώντας μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, πρέπει και πάλι να γνωρίζουμε πώς ακριβώς συμπεριφέρονταν οι δυνατές «ιστορίες» του Σύμπαντος στα όρια του χωροχρόνου στο παρελθόν. Μπορούμε να το αποφύγουμε αυτό (την ανάγκη δηλαδή να περιγράψουμε καταστάσεις που ούτε τις γνωρίζουμε ούτε μπορούμε να τις γνωρίσουμε) μόνον αν οι δυνατές «ιστορίες» του Σύμπαντος ικανοποιούν την συνθήκη έλλειψης ορίου: είναι πεπερασμένες σε έκταση αλλά δεν έχουν όρια, ανωμαλίες ή άκρες. Στην περίπτωση αυτή η αρχή του χρόνου θα μπορούσε να είναι ένα κανονικό, ομαλό σημείο του χωροχρόνου, και το Σύμπαν θα μπορούσε να αρχίσει να διαστέλλεται σε μία κατάσταση μεγάλης ομοιομορφίας και τάξης. Βέβαια, δεν θα ήταν δυνατό να είναι εντελώς ομοιόμορφο, επειδή κάτι τέτοιο θα παραβίαζε την αρχή της απροσδιοριστίας της κβαντικής μηχανικής. Πρέπει λοιπόν να υπήρχαν μικρές διακυμάνσεις στην κατανομή της πυκνότητας της ύλης και στις ταχύτητες των σωματιδίων. Όμως η συνθήκη της έλλειψης ορίου συνεπάγεται ότι οι διακυμάνσεις αυτές θα ήταν τόσο μικρές όσο θα μπορούσαν να είναι σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας.

Στα αρχικά στάδια του Σύμπαντος θα υπήρξε μία περίοδος επιταχυνόμενης ή «πληθωριστικής» διαστολής, όπου το μέγεθος του Σύμπαντος θα αυξανόταν με πολύ μεγάλο ρυθμό. Στη διάρκεια αυτής της διαστολής οι διακυμάνσεις στην κατανομή της πυκνότητας της ύλης θα παρέμεναν αρχικά μικρές, στη συνέχεια όμως θα μεγάλωναν. Στις περιοχές όπου η πυκνότητα της ύλης ήταν μεγαλύτερη από τον μέσο όρο η διαστολή θα άρχιζε να επιβραδύνεται εξαιτίας της βαρυτικής έλξης της πρόσθετης μάζας τους. Έτσι αυτές οι περιοχές θα σταματούσαν κάποτε να διαστέλλονται και θα άρχιζαν να συρρικνώνονται και να καταρρέουν σχηματίζοντας γαλαξίες, άστρα και όντα όπως εμείς. Το Σύμπαν λοιπόν θα είχε αρχίσει να υπάρχει σε κατάσταση μεγάλης ομοιομορφίας και τάξης που, καθώς θα περνούσε ο χρόνος, θα μεταβαλλόταν σε κατάσταση μεγάλης ανομοιομορφίας και αταξίας. Η μεταβολή αυτή εξηγεί την ύπαρξη του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου.

Αλλά τι θα συμβεί αν και όταν το Σύμπαν σταματήσει να διαστέλλεται και αρχίσει να συστέλλεται; Η κατεύθυνση του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου θα αναστραφεί και η αταξία θα αρχίσει να μειώνεται με την πάροδο του χρόνου; Κάτι τέτοιο θα οδηγούσε σε διάφορες παράξενες καταστάσεις, ανάλογες με αυτές που περιγράφουντα μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας για ανθρώπους που επέζησαν από τη φάση διαστολής και άρχισαν να ζουν στη φάση συστολής. Οι άνθρωποι αυτοί θα βλέπουν κομμάτια γυαλιών στο δάπεδο να συνενώνονται και να σχηματίζουν ποτήρια πάνω στα τραπέζια; Θα θυμούνται τις αυριανές τιμές των μετοχών και θα θησαυρίζουν στα χρηματιστήρια; Ίσως φαίνεται ότι το να αναρωτιόμαστε τι θα συμβεί όταν το Σύμπαν αρχίσει να συστέλλεται δεν παρουσιάζει παρά μόνο ακαδημαϊκό ενδιαφέρον, αφού η φάση συστολής θα έρθει μετά από δέκα δισεκατομμύρια χρόνια τουλάχιστον.

Υπάρχει όμως κάποιος συντομότερος τρόπος να ανακαλύψουμε τι θα συμβεί: να πέσουμε μέσα σε μια μαύρη τρύπα! Η βαρυτική κατάρρευση ενός άστρου και ο σχηματισμός μίας μαύρης τρύπας είναι ανάλογες καταστάσεις με την βαρυτική κατάρρευση ολόκληρου του Σύμπαντος και το σχηματισμό της ανωμαλίας της Μεγάλης σύνθλιψης. Έτσι, αν πραγματικά η αταξία μειώνεται κατά τη διάρκεια της φάσης συστολής του Σύμπαντος, το ίδιο θα πρέπει να συμβαίνει και στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας. Ίσως λοιπόν όταν πέσουμε μέσα στη μαύρη τρύπα να μπορούμε να κερδίζουμε στην ρουλέτα, αφού θα θυμόμαστε τον αριθμό όπου θα πέσει η μπίλια πριν ακόμη διαλέξουμε πού θα βάλουμε τις μάρκες μας.

Δυστυχώς όμως, δεν θα έχουμε στη διάθεση μας πολλή ώρα παιχνιδιού, γιατί σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα θα διαλυθούμε από τις μεγάλες διαφορές της βαρυτικής έλξης στα διάφορα σημεία του σώματος μας. Δεν θα μπορούμε λοιπόν να πληροφορήσουμε τους επιστήμονες για την αντιστροφή του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου ούτε να καταθέσουμε τα κέρδη μας στην τράπεζα, γιατί θα βρισκόμαστε παγιδευμένοι για πάντα μέσα στα όρια του ορίζοντα των γεγονότων της μαύρης τρύπας.

Στην αρχή των ερευνών μου για τη σχέση του θερμοδυναμικού και του κοσμολογικού βέλους του χρόνου πίστευα ότι όταν το Σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται η αταξία θα αρχίσει να μειώνεται. Και το πίστευα γιατί νόμιζα πως όταν το Σύμπαν γίνει και πάλι πολύ μικρό, πρέπει να επιστρέψει σε κατάσταση ομοιομορφίας και τάξης. Αυτό θα σήμαινε ότι η φάση συστολής θα έμοιαζε με τη χρονικά αντίστροφη της φάσης διαστολής. Οι άνθρωποι που θα ζούσαν στη φάση συστολής θα πέθαιναν πριν γεννηθούν και θα γίνονταν πιο νέοι καθώς το Σύμπαν θα συστελλόταν.

Η ιδέα αυτή είναι γοητευτική γιατί παρουσιάζει μία όμορφη συμμετρία μεταξύ της φάσης διαστολής και της φάσης συστολής. Παρ' όλα αυτά δεν μπορούμε να την αποδεχθούμε πριν εξετάσουμε τη σχέση της με τις άλλες ιδέες για το Σύμπαν. Τίθεται λοιπόν το ερώτημα αν η ιδέα αυτή προκύπτει από την συνθήκη έλλειψης ορίου ή είναι ασυμβίβαστη μαζί της. Όπως προανέφερα, στην αρχή νόμιζα πως η συνθήκη έλλειψης ορίου συνεπαγόταν πραγματικά το ότι η αταξία πρέπει να μειώνεται στη διάρκεια της φάσης συστολής.

Παρασύρθηκα σε αυτή την άποψη από την αναλογία με την επιφάνεια της Γης: Αν θεωρήσουμε ότι η αρχή του Σύμπαντος αντιστοιχεί στον Βόρειο Πόλο, τότε το τέλος του θα είναι παρόμοιο με την αρχή του, ακριβώς όπως ο Βόρειος Πόλος είναι παρόμοιος με το Νότιο. Αλλά η αναλογία Βόρειου και Νότιου Πόλου με την αρχή και το τέλος του Σύμπαντος αναφέρεται στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε τον φανταστικό χρόνο. Στον πραγματικό χρόνο, η αρχή και το τέλος του Σύμπαντος μπορεί να διαφέρουν πολύ. Παρασύρθηκα επίσης από κάποια εργασία μου σε ένα απλουστευμένο μοντέλο του Σύμπαντος όπου η φάση συστολής έμοιαζε πραγματικά με τη φάση διαστολής. Όμως ο συνεργάτης μου Don Page έδειξε ότι η συνθήκη έλλειψης ορίου δεν απαιτούσε αναγκαστικά ότι η φάση συστολής πρέπει να είναι η χρονικά αντίστροφη της φάσης διαστολής. Στη συνέχεια, ένας μαθητής μου, ο Raymond Laflamme, βρήκε ότι σε ένα λιγότερο απλουστευμένο μοντέλο η συστολή του Σύμπαντος διέφερε σημαντικά από τη διαστολή του. Κατάλαβα λοιπόν ότι είχα κάνει λάθος: στην πραγματικότητα η συνθήκη έλλειψης ορίου συνεπάγεται ότι η αταξία του Σύμπαντος θα συνεχίσει να αυξάνεται και στη διάρκεια της φάσης συστολής. Το θερμοδυναμικό και το ψυχολογικό βέλος του χρόνου δεν αναστρέφονται ούτε όταν το Σύμπαν συστέλλεται ούτε μέσα στις μαύρες τρύπες.

Πώς πρέπει να αντιδράσει κανείς όταν καταλάβει ότι έκανε ένα λάθος σαν αυτό; Μερικοί δεν το παραδέχονται ποτέ και συνεχίζουν να προβάλλουν καινούργια (και συχνά αντιφατικά) επιχειρήματα για να υποστηρίξουν τη θέση τους — όπως έκανε ο Eddington όταν αρνήθηκε να δεχτεί τη δυνατότητα βαρυτικής κατάρρευσης άστρων σε μαύρες τρύπες. Άλλοι ισχυρίζονται ότι στην πραγματικότητα δεν υποστήριξαν ποτέ τη λανθασμένη άποψη ή ότι, ακόμη και αν το έκαναν, το έκαναν μόνο και μόνο για να δείξουν ότι περιείχε αντιφάσεις.

Πιστεύω πως η ορθότερη και λιγότερο συγκεχυμένη αντιμετώπιση ενός τέτοιου λάθους είναι να το παραδεχτεί κανείς δημόσια. Ένα καλό παράδειγμα τέτοιας αντιμετώπισης έδωσε ο Αϊνστάιν όταν αποκάλεσε την κοσμολογική σταθερά — που την είχε εισαγάγει για να επιτύχει ένα στατικό μοντέλο του Σύμπαντος — το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του.

Για να επιστρέψουμε στο βέλος του χρόνου, το ερώτημα παραμένει: Γιατί παρατηρούμε ότι το θερμοδυναμικό και το κοσμολογικό βέλος του χρόνου στρέφονται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση; Ή, με άλλα λόγια, γιατί η αταξία αυξάνεται στην ίδια κατεύθυνση του χρόνου με αυτήν όπου το Σύμπαν διαστέλλεται; Αν πιστεύει κανείς ότι το Σύμπαν θα διασταλλεί και μετά θα συσταλλεί, όπως φαίνεται ότι συνεπάγεται η συνθήκη έλλειψης ορίου, το ερώτημα ανάγεται τελικά στο γιατί εμείς οι ίδιοι υπάρχουμε στη φάση διαστολής και όχι στη φάση συστολής.

Μπορούμε να απαντήσουμε σ' αυτό το ερώτημα στη βάση της ασθενούς ανθρωπικής αρχής: Οι συνθήκες που θα επικρατούν στη φάση συστολής δεν θα είναι κατάλληλες για την ύπαρξη νοημόνων όντων ικανών να θέσουν το ερώτημα «Γιατί η αταξία αυξάνεται κατά την ίδια κατεύθυνση μ' αυτήν όπου το Σύμπαν διαστέλλεται;». Η πληθωριστική διαστολή στα αρχικά στάδια του Σύμπαντος, που την προβλέπει η συνθήκη έλλειψης ορίου, σημαίνει ότι το Σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται με ρυθμό πολύ κοντά στον οριακό ρυθμό που απαιτείται για να αποφευχθεί η βαρυτική συρρίκνωση. Έτσι το Σύμπαν δεν θα αρχίσει να συρρικνώνεται παρά μόνο αφού περάσει ένα πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά ως τότε όλα τα άστρα θα έχουν εξαντλήσει τα πυρηνικά τους καύσιμα, και τα πρωτόνια και νετρόνια τους θα έχουν διασπαστεί σε ελαφρά σωματίδια και ακτινοβολία. Το Σύμπαν θα βρίσκεται σε κατάσταση σχεδόν απόλυτης αταξίας.

Δεν θα υπάρχει λοιπόν ένα ισχυρό θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου. Η αταξία δεν θα μπορεί να αυξηθεί πολύ γιατί το Σύμπαν θα βρίσκεται ήδη στην κατάσταση της σχεδόν απόλυτης αταξίας: Εν τούτοις, ένα ισχυρό θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου είναι αναγκαίο για τις λειτουργίες της νοήμονος ζωής.

Για να επιβιώσουν οι άνθρωποι πρέπει να καταναλώνουν τροφή, που είναι μορφή ενέργειας σε κατάσταση τάξης, και να τη μετατρέπουν σε θερμότητα, που είναι μορφή ενέργειας σε κατάσταση αταξίας. Η νοήμων ζωή λοιπόν δεν θα μπορεί να υπάρξει στη φάση συστολής του Σύμπαντος. Έτσι εξηγείται γιατί παρατηρούμε ότι το κοσμολογικό και το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου στρέφονται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση: όχι γιατί η διαστολή του Σύμπαντος αναγκάζει την αταξία να αυξάνεται, αλλά γιατί η συνθήκη έλλειψης ορίου αναγκάζει την αταξία να αυξάνεται· και επιτρέπει να υπάρχουν κατάλληλες συνθήκες για την ανάπτυξη νοήμονος ζωής μόνο στη φάση διαστολής του Σύμπαντος.

Για να ανακεφαλαιώσουμε, οι νόμοι της φυσικής δεν κάνουν καμιά διάκριση μεταξύ της κατεύθυνσης του χρόνου προς τα εμπρός, προς το μέλλον, και της κατεύθυνσης του χρόνου προς τα πίσω, προς το παρελθόν. Υπάρχουν όμως τρία τουλάχιστον βέλη του χρόνου που διακρίνουν το μέλλον από το παρελθόν: το θερμοδυναμικό, στην κατεύθυνση του χρόνου όπου η αταξία αυξάνεται· το ψυχολογικό, στην κατεύθυνση του χρόνου όπου θυμόμαστε το παρελθόν αντί για το μέλλον και το κοσμολογικό, στην κατεύθυνση του χρόνου όπου το Σύμπαν διαστέλλεται αντί να συστέλλεται.

Δείξαμε ότι το ψυχολογικό βέλος είναι ουσιαστικά το ίδιο με το θερμοδυναμικό, οπότε στρέφονται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Η συνθήκη έλλειψης ορίου του Σύμπαντος προβλέπει την ύπαρξη ενός σαφώς καθορισμένου θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου, γιατί το Σύμπαν πρέπει να αρχίσει να υπάρχει σε μία κατάσταση ομοιομορφίας και τάξης.

Παρατηρούμε ότι το θερμοδυναμικό βέλος προσανατολίζεται προς την κατεύθυνση του κοσμολογικού επειδή μόνο στη φάση διαστολής μπορούν να υπάρχουν νοήμονα όντα. Η φάση συστολής είναι ακατάλληλη γιατί δεν διαθέτει ισχυρό θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου.

Η πρόοδος του ανθρώπινου είδους στην πορεία κατανόησης του Σύμπαντος έχει συγκεντρώσει ένα μικρό απόθεμα τάξης μέσα σε έναν Κόσμο αυξανόμενης αταξίας.

Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου