Kde neexistuje čas a teplota, jak to spolu souvisí a proč tomu skoro nikdo nerozumí

Dost světově známých fyziků vyjadřuje názor, že čas vlastně neexistuje a jeho existence je pouze naše iluze či zdání. Dokonce i můj "milovaný" Carlo Rovelli, tento fyzik a filosof, má za to, že čas vzniká díky našem vnímání světa.

Nejdříve si vyjasněme samotný problém. Začněme z jednoduchého konce, teplotou. Na Wiki si můžeme přečíst, že teplota je v původním významu "vlastnost předmětů a okolí, kterou je člověk schopen vnímat a přiřadit jí pocity studeného, teplého či horkého." Dále se tam dočteme, že je to veličina "vhodná k popisu stavu ... makroskopických systémů."

Už od začátku 20. století prokazatelně víme, že se svět skládá z atomů a molekul, a proto můžeme termodynamicky chápat teplotu jako míru "střední kinetické energie...pohybu molekul..." či atomů, jako míru vnitřní energie tělesa.  (Není to tak jednoduché, neboť záleží vždy na fázových přechodech, skupenství látek, tedy jde-li o plyn, kapalinu, pevné těleso atd., ale to je technický "detail", který náš následný výklad nejenže nezpochybňuje, ale dokonce podporuje.)

Teplota je pojem historicky starší, lidské intuici příjemnější, protože lidé dříve svými smysly vnímali teplotu a teplo, jako tepelnou energii začali lépe chápat až později. Proto jsem začali výklad teplotou. Teplo se ale bude někdy lépe hodit pro náš výklad, proto budeme používat ve výkladu oba pojmy souběžně, současně nebo střídavě. Na podstatě výkladu se tím nic nezmění. Teplota a teplo jsou velmi úzce spojeny a odvíjí se obě shodně od kinetické energie atomů či molekul, jak uvedeno výše.

Pojem tepla (i teploty) má strukturní omezení. Za tepelnou energii kamene považujeme něco, co souvisí s neuspořádaným pohybem atomů kamene, ne ale pohyb kamenem jako celku. Hodíme-li kámen nějakou rychlostí v, pak míru jeho pohyb jako celku označujeme jako kinetickou energii (E = 1/2 m.v^2), ne jako teplo. Dá se říci, že teplo existuje na úrovni pohybu atomů, ale na úrovni pohybu celého kamene teplo(ta) neexistuje.

Pojem tepla je ale strukturně omezen nejen shora, jak jsem si právě vyložili, ale i zdola. Pohyb jednoho atomu nelze považovat za klasickou teplotu, neboť ten není makroskopickým systémem, jak se říká ve výše uvedené "definici". Klasická, původní teplota pod úrovní atomů neexistuje.  Proto ji také není možné měřit obvyklým kontaktním způsobem, třeba teploměrem. Můžeme sice pojem teploty zobecnit i pod úroveň atomů, ale tím se spodního strukturního omezení nezbavíme, jen jen posuneme dolů.

"..koncepce teploty se z látkového prostředí zobecňuje i na prostředí složená z jiných částic než jsou molekuly a atomy - na fyzikální soubory různých mikročástic a jejich vázaných kombinací ". Niels Bohr např. zavedl představu "teploty" atomového jádra jako souboru protonů a elektronů, který vyzařuje jiné částice. Tato "teplota" je už ale jen teplotou v uvozovkách, zobecněním původního pojmu teploty, je analogií (původní) teploty či spíše metaforou, přeneseným významem teploty. Takto zobecněná teplota neexistuje pro jednotlivou částici, tedy pod úrovni souboru částic, v případě "Bohrovy" teploty, pod úrovní souboru nukleonů, tedy pod úrovní atomového jádra.

Přece se dá ale mluvit o tom, že ""teplotu"" má dokonce i jen jedna částice, třeba elektron, ale to už je dvojnásobná metafora (kvůli čemuž jsme použili dvoje uvozovky). To jsme totiž původní pojem teploty opustili na dva způsoby. Jednak tak, že jsme opustili úroveň atomů či molekul, a podruhé tak, že neuvažujeme, v rozporu s původní "definicí", soubor částic, ale pouze částici jedinou. Vzpomeneme-li si pak na výše uvedený příklad jednoho kamene, jehož míru pohybu jsme si neoznačili jako teplotu, ale jako kinetickou energii, je nám jasné, že jsme ve stejné situaci v případě jedné částice. Ve skutečnosti jde o kinetickou energii částice, kterou můžeme pouze metaforicky označovat jako ""teplotu"".

Ve skutečnosti teplota jedné částice neexistuje (v původním významu toho slova). Nicméně principiálně by bylo možné metaforicky vyjádřit v podobě teploty i kinetickou energii kamene. Taková metafora nám za chvíli poslouží k rozšíření původního významu času.

Je zajímavé si uvědomit, že podobným způsobem jako teplotu můžeme analyzovat i čas. U něj také nalezneme horní a spodní strukturní hranici, nad níž či pod níž neexistuje. A čas je, stejně jako teplota, všudypřítomný. Jak to myslíme? Opět začněme u teploty. Teplota v původním slova smyslu, existuje naprosto všude tam, kde existují soubory atomů či molekul, které se srážejí nebo jsou dokonce spojeny užšími vazbami, než jsou jejich náhodné srážky, a tvoří tak třeba kapalinu či pevnou látku. Jde tedy o vše, kde atomy či molekuly vytvářejí systém, což je nějak organizovaný soubor prvků, které jsou spojeny vazbami. Teplota je relativně všudypřítomná, je všude, kde je splněna podmínka systému atomů. Čas klame tím, že se zdá absolutně všudypřítomný, ale je to tím, že jsme zatím neopustili oblast, kde se vyskytuje. Ale právě názory, že čas neexistuje, ukazují, že už tuto oblast, alespoň myšlenkově, pomalu opouštíme.

Odpovězme si teď na otázku, co je to čas, a to na základě tautologie měření. Měření je vlastně ve svém základě srovnáváním téhož (třebaže na tomto základě odvozené nepřímé metody měření postupují jinak). Měření délky v původní nejprimitivnější podobě bylo srovnávání dvou různých délek, třeba délky látky s délkou lidského lokte, či porovnávání nějaké menší vzdálenosti s palcem, nebo jiné se stopou či sáhem. V nedávné minulosti byla jednotkou metru tyč, nyní je to "délka, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 s". U oné tyče si snadno představíme, jak pomocí ní měříme tak, že ji opakovaně přikládáme třeba na dřevěnou kládu.

Protože každé měření je v základě tautologie a čas je veličina, která měří trvání pohybů (zajímá nás, třeba, za jaký čas vlak dojede do cíle), lze snadno nahlédnout, že ani čas nemůže být nic jiného než pohyb. Pohyb lze totiž měřit zase jen a pouze pohybem, jde-li o podstatu tohoto měření. A protože v realitě nejde měřit abstraktně, ale musíme k měření použít konkrétní měřidlo (třeba pásmo k měřené délky skříně), je zřejmé, že i čas není nic jiného než konkrétní fyzikální pohyb. Že se nám jeví jako abstraktní je způsobeno jen tím, že je zatím kdesi v kvantové hloubce, mimo horizont našeho poznání. Ale úplně stejně abstraktně se nám do 19. století jevily atomy, jejichž pohyby jsou materiálním základem teploty.

V minulosti jsme měřili teplotu bez toho, abychom dohlédli její pravou podstatu, tedy konkrétní fyzikální pohyb atomů či molekul. Ten byl mimo naše znalosti, mimo náš znalostní horizont, dokud nebyly atomy popsány, dokázány a "ohmatány". I když byl ale tento atomový pohyb "neviditelný", přesto jsme jej mohli měřit právě teplotou. Stejná je nyní situace s časem. Je to pohyb mimo náš horizont, kdesi hluboko ve struktuře světa. Z čeho tak soudíme? To z toho, že je opravdu všudypřítomný. Existuje nejen tam, kde je systém atomů (jako teplota), ale nemetaforicky existuje i v případě jednotlivých částic nebo třeba jen gravitačních vln, prostě v případě všeho, co se podle našich současných poznatků hýbe.

Jak dobře popisuje Carlo Rovelli ve své koncepci smyčkové gravitace, právě na úrovni kvantování samotného prostoročasu, tedy kvantování gravitačního pole, se čas ztrácí. Co se tam děje snadno pochopíme právě z analogie s mizením teploty ve struktuře látek. "Pravá" teplota mizí právě na úrovni atomů, pod ní neexistuje. Teplota je vlastně ale jen jistým vyjádřením energie, tepelné energie. Tepelná energie tedy pod úrovní atomů neexistuje, nicméně je tam jiná forma energie, pohybová či další druhy energie.

Je tedy analogicky zřejmé, že představa, že někde na úrovni kvantové gravitace zcela mizí čas, je silné zjednodušení. Každý vznik a zánik je totiž pouze relativní (například zánik živého tvora ani v nejmenším neznamená zánik jediného z jeho atomů, stejně jako jeho narození jediný atom nevytvoří). Navíc vše vzniká, vynořuje se, jako organizování již existujících částí (kapalná voda vzniká silnějším spojení molekul vody, led ještě silnějším). Tato emergence neboli synergický efekt, jak se tento jev nazývá v teorii systémů, dává vazbami něco navíc, co v prvcích původně nebylo. To je proces (relativního) vzniku každého objektu, každého procesu, každé vlastnosti.

Je tedy patrné, že jsme na úrovni kvantové gravitace "nahmatali" synergický efekt, kterým vzniká čas. Jenže stejně, jako vzniká nějaký objekt, spojením prvků, tedy menších objektů, vzniká každý proces spojením (z jeho hlediska) elementárních procesů. Náš čas je proces, pohyb, tedy i on musí synergicky vznikat z dílčích kvantově gravitačních procesů a je nyní na fyzice, aby poznala, z jakých a jak vzniká. Zatím jsou tyto hluboké procesy pro nás neznámé, tedy je nevidíme, a proto se nám zdá, že neexistují a že čas jaksi povstává z ničeho a hlouběji "nic není".

Jenže z této úvahy je taky zřejmé, že "pod" naším časem se vše také hýbe. Jinak by ani neexistoval náš čas, kdyby se tam nic nehýbalo, neboť by neměl tento pohyb, který je časem, z čeho vzniknout. Nelze jinak než pojem času zobecnit a předpokládat nějaký jiný druh čas, hlubší druh času, neboť kdyby tam níže nebyl nějaký čas (tedy pohyb), vše co známe, by se zastavilo. Tak jako pod pohybem systémů atomů, který vnímáme jako teplotu, existují pohyby individuálních atomů, které dokonce tvoří podstatu teploty, stejně je to s naším časem. Pod strukturní úrovní našeho času existují elementární pohyby, které jej vytvářejí, které zatím sice neznáme, ale které jsou jeho podstatou. Ty se ale nutně dějí v jiném čase, když už tam ten nám známý fyzikální čas není. Tento hlubší čas si pracovně označme třeba jako "hluboký čas". Můžeme tento hluboký čas chápat jako "čas" v přeneseném slova smyslu, podobně jako Bohr chápal "teplotu" atomového jádra. Ale protože je čas obvykle součástí scény, na které se fyzikální děje odehrávají, bude asi vhodné pojem času zobecnit a chápat ho podobně jako energii, která má také mnoho druhů. Čas je totiž pouze obecná funkce (jako ono býti matkou), nikoliv absolutní a jediná vlastnost.

Mimochodem už relativita času objevená Einsteinem, zejména v podobě absolutních změn času v obecné teorii relativity, je vlastně důkazem existence hlubokého času. Kdyby nebylo hlouběji nic, neměl by se čas vůči čemu zakřivovat a byl by všude stejný. Podobně jako vlna na vodě existuje jen díky tomu, že se nalézá v "krabici" prostoru, která je pevná, nebo přesněji řečeno, přinejmenším se deformuje jinak než vlna vody.

Myšlenkový blok, kterému jsme tady vystaveni, je v tom, že si většina lidí myslím, že existuje čas pouze jediný. A to přesto, že se každodenně setkáváme třeba s počítačovým časem, který jde zrychlit či zpomalit třeba přetaktováním procesoru, nebo nedostatečným výkonem či zahlcením některé počítačové komponenty, která způsobí až zastavení (počítačového) času. Snadno ho také zastavíme vypnutím počítače. Námitka, že to není (ten pravý) čas, je celkem na místě, ale je to stejná námitka, kterou jsme analyzovali u nepravých teplot výše, a dělili jsem je na teplotu, "teplotu" a ""teplotu"". Můžeme si budˇ všechny časy shrnout do obecnější kategorie, jako jsme si teplotu (spíše teplo) zahrnuli mezi různé druhy energie, a postulovat meta-čas a hledat jeho konkrétní formy, podobně jako mámo energii jako obecnější kategorii, jejíž jednou formou je teplo. Nebo, nemaje zatím lepšího termínu, můžeme hovořit o jiném čase, hlubokém čase.

Abychom neměli pouze dva dobře prozkoumané časy, uveďme ještě jeden, dobře známý. Jde o biologický čas. Ten kupodivu může souviset i s teplotou. Je známo, že tzv. "studenokrevní" živočichové, zejména plazi a hmyz, se pohybují pomaleji při nižších teplotách. Nejde ale o zpomalení pouze pohybů, ale zjednodušeně řečeno všech tělesných procesů (pravděpodobně na buněčné úrovni). Je to podobné jako u teorie relativity, kde zpomalení fyzikálního času, dilatace, znamená (je) zpomalení všech pohybů.

Dokonce je možné říci, že každý systém má svůj čas a tímto časem je pohyb na elementární úrovni. Vybereme-li "družstvo" želv pro rychlostní závod, bude jistě pomalejší než třeba družstvo zajíců. Podle rychlosti členů družstva, bude rychlá celá štafeta.

Onen myšlenkový blok, který nás nutí myslet si, že existuje pouze jeden jediný čas, pochází ještě od Newtona a jeho představy absolutního času. Kdyby byl čas skutečně absolutní, musel by být i absolutně jediný. Je to jako bychom si ani dnes nevšímali, že Einstein dokázal, že je čas relativní. On to sice ukázal v konkrétní podobě, ale pakliže je prokázáno, že je fyzikální čas relativní v jednom smyslu, znamená to zcela spolehlivě, že je relativní i v každém dalším směru. Třeba v tom smyslu, že existuje relativně, což konkrétně znamená, že existuje jen na určité strukturní úrovni a hlouběji ne. Tato zobecněná relativita času vytváří při mechanické uvažování povrchní dojem, že neexistuje vůbec. Zobecněná relativnost také znamená, že čas není jediný. Dokonce lze říci, že každý pohyb může zastávat funkci času, podobně jako každá žena může zastávat roli matky.

Onen newtonovský myšlenkový blok způsobuje, že problému (ne)existence času, rozumí málokdo. Je to totiž po několik století hluboké myšlenkové paradigma (viz Kuhn S.: Struktura vědeckých revolucí, paradigma a relativita vědeckého poznání), která nám nedovolí opustit vyšlapané cestičky uvažování. Přitom řešení problému není nijak zvlášť intelektuálně náročné. Je to podobná situace, jako když Aristoteles stvořil paradigma centrálního postavení Země ve vesmíru, které blokovalo po mnoho století další uvažování. A čekalo až na Koperníka a Keplera, aby ho změnili v představu sluneční soustavy se Sluncem v centru a kolem něj obíhající Zemí.

Pomoci může tady teorie systémů, jejíž funkci jsme si ostatně předvedli v akci v podobě představy, že systém je soubor provázaných elementů, které synergickým efektem vytvářejí vlastnosti charakterizující celek/systém. Předvedli jsem si ji na příkladě teploty i času. Relativnost přístupu je zde i v tom, že každý element je dílčím systémem, který má své hlubší elementy, a každý systém může být prvkem vyššího systému. Je možné s nadšením kvitovat, že smyčková kvantová gravitace, přinejmenším v podáním Carla Rovelliho začíná poněkud systémový přístup používat, i když pouze částečně a živelně, a to v podobě relační kvantové mechaniky. Zcela jasně je to vidět třeba v Oxfordské přednášce Carla Rovelliho "Cosmology and Quantum Theory: the Relational View", viz níže:

Dalším rizikovým faktorem fyzikálního zkoumání je, že je tak rozsáhlé a hluboké, že je téměř nemožné udržet si celkový nadhled a udržet systematický obecný přístup. Navíc v rámi fyziky se, bohužel, moc nestuduje teorie vědeckého poznání, protože to není fyzikální obor, a tak občas někomu chybí  správné "brýle poznání", kterými se snadněji nahlíží na obecné otázky fyziky. A také obecný nadhled chce poněkud jiný styl uvažování, než přísně exaktní, který je pro matematiku a fyziku typický.

Nedávno vydala Sabine Hossenfelder knihu Ztraceni v matematice. Ta ukazuje, že u nejobecnějších fyzikálních problémů se exaktní vědec může poměrně snadno ztratit, pakliže si myslí, že je možné je vyřešit pouze technicky, matematicky, bez celkového nadhledu na problém. Nebo lze i parafrázovat Newtonovu myšlenku, že vědci kutají v hlubokých šachtách poznání a měli by se proto občas vynořit, aby se nadýchali čerstvého vzduchu.

Celkový nadhled je zcela zásadní v natolik obecných otázkách fyziky, které už přestávají být otázkami pouze fyzikálními a jsou také otázkami filosofickými a systémovými. Takovou otázkou jistě je, co je to čas. Že nejobecnější uvažování není občas nejsilnější stránkou i současné špičkové fyziky může naznačovat i příklad špičkového fyzika Stephena Hawkinga, který prohlásil, že je filosofie mrtvá. Je to jako tvrdit, že vzduch nemá žádný vliv na náš život. Je to sice pravda, ale tak do prvního hurikánu. Měli bychom to tušit, když historie má zkušenosti s takovými bouřemi, které zcela změnily fyziku od základu, jako byla bouře teorie relativity nebo kvantové mechaniky. :-)