Brief Explanation Of Time

A Brief Explanation of Time Frederick Turner

The Need for Time Time, goes the old joke, is nature's way of making sure that everything doesn't happen at  once.  Like many jokes, this one has a fairly large grain of truth.  If two states of the same  object are allowed by the universe, such as being red and being green, or being in one  place and being in another­­or if two objects, such as two fundamental particles of the  same mass, spin, and charge, can occupy exactly the same state and place­­then major  problems arise.   Either, in the first case, the principle of identity is violated­­is it one  object or two?­­or, in the second case, there is not room in space for both objects at once  (in physics, this problem is known as the Pauli exclusion principle).  In a universe of pure  space, without time, the laws of science could not exist because identity and location  could not be reliably established.   Time gives the universe a way of connecting different states of the same object (first it  was red, then it turned green; first it was in one place, then it was in another) and of  spacing out events and objects so that they do not get in each other's way (first one atom  was there, then another).  Further, if one of the states of an object has to exist if the other  is to exist, time provides an order of events.  The tree cannot exist unless its seedling has  earlier   existed,   nor   the   seedling   without   the   seed;   whereas   the   seedling   could   exist  without the tree but not without the seed.  Time is whatever space a logical scheduling  problem requires for its solution. We can actually study situations where time almost doesn't exist.  In the tiny and always  minutely   brief   world   of   quantum   mechanics   there   is   so   little   time   that   identity   and  location do indeed lose a good deal of their clarity and indeed their distinction from one  another: a particle can exist in a state of superposition, in which two different things are  true of the same object, and it can exist very tenuously in two places at once.   But for  objects with more solidity and persistence, time is necessary not just tautologically for  them to exist "in" but also as a way of resolving paradoxes of being and location.  Another  place where time almost doesn't exist is in black holes, where it is only their slow leakage  and eventual unlocking that prevents paradoxes such as that information can be destroyed  (a contradiction of identity) and that two things can be in the same place (black holes can  be almost infinitely dense with matter).

The Problem The Enlightenment description of time, which is familiar to us all­­and which even after  ninety years has not been replaced in our intuitive imagination by relativity theory, let  alone other modifications of it­­sounds like the simplest way of providing the "spacing­ out" and scheduling function that is so important to the universe.  What it says is that time  is very like a spatial dimension­­say, length­­extending out in a straight line, and that  everything in the universe at any given moment is at the same point on that line; what is  on one side of us is the past, what is on the other is the future, and where we all are is the  present.   But wait: all is not well here.  When it comes to the "passing" of time, the familiar model  begins to get complicated.   The present moment moves along the line in a futureward  direction providing each point in it with an infinitesimal moment of reality­­or, in the  opinion of some physicists and philosophers, the whole line is always already real, and  our   consciousness   moves   along   the   line,   like   a   spotlight,   giving   us   the   illusion   of  encountering a new future and leaving behind a dead past.   But the space analogy has  already   begun   to   break   down.     Our   experience   of   space   doesn't   necessary   include   a  "passing   of   space";   there's   no   necessary   point   of   maximal   existence   along   a   line,   or  maximal human attention to it, and there's no place on a line that all of the universe is at.  And if either reality or our awareness moves along the line, in what time is it moving?  How   fast?     How   many   miles   per   what?     Can   it   accelerate?     how   could   we   tell   the  difference between slow and fast?  and if we can't, how could we tell if it had or hadn't  stopped altogether?  what does "move" mean if there's no discernible distinction?  Is there  a second time in which reality or awareness moves along the line of the first time?  Then  why not a third time in which the reality of the reality or the awareness of the awareness  moves along the second?  And so on. If the whole timeline is already there, moreover, then the future is merely awaiting its  actualization or our attention to it, and cannot be changed.  So we are bound to the rails of  fate and such fundamental values as morality, freedom, responsibility and creativity are  illusions.   This reflection might be bearable for a philosopher who preferred truth to  moralistic wishful thinking, if it did not also imply that the philosopher's own cogitations  are part of the same clockwork, and the feeling that something must be logically true is  too,  so  truth  is  also  an  illusion.    And   there  is  no  way  of   checking  whether   such  an  automaton is correctly calibrated, so as to verify that the illusion of truth coincides with  its reality.

Equally problematic is the direction of time.  Space doesn't have a preferred direction.  In  space one can get from London to Paris and from Paris to London, but whereas one can  get from A. D. 1980 to A. D. 2001 in time, one can't, as one could with space, get a return  ticket.  Nineteenth century thermodynamics showed that thermal and energetic events in  the universe always went one way­­toward the increase of entropy.  You can burn a log but  not unburn it, you can let perfume diffuse out of an open bottle but not suck it back in  again, you can turn work into heat and heat into work but only if you pay a tax or interest  of work energy on the exchange each time.  But then the study of biological metabolism  and evolution seemed to show that living systems can feed upon the flow of the increase  of   entropy,   like   paddle­wheels   in   a   torrent.     Without   violating   the   Second   Law   of  thermodynamics,   a   tree   can   turn   ash   (soil)   and   smoke   (atmospheric   CO2)   and   heat  (sunlight) back into a log, and a rose can suck chemicals out of air and soil and make  perfume.     So   not   only   can   time   possess   at   least   two   directions,   different   kinds   of  organisms can take different directions. In the twentieth century, relativity theory showed that the universe is not all at the same  point in the line; a present moment is not something simply given to the universe, but  rather something rather fuzzily earned by two­way communication among objects and  events  that puts them  in synch with  one another.   An  "in­synch"  region is called an  inertial frame.  Some parts of the universe are in different inertial frames from others and  our   present   knowledge   of   them   is   necessarily   of   their   past,   while   other   parts   of   the  universe are over our event horizon and we can never know them.  And if we cannot know  them,   the   proposition   that   they   exist   and   share   our   present   moment   is   a   purely  metaphysical and unscientific notion­­unless we improve our model of time. More recently still, quantum theory showed that the state of knowledge that exists about a  particle partly determines its nature and identity­­disturbing enough, but more so if we  reflect that one can only know about something after it has happened, since even the  fastest messenger, light, has a finite speed.   This means that knowledge must somehow  retroactively affect what it is knowledge of; so the present­point on the line can be neither  the spotlight of awareness (we are aware only of past events), nor the place where reality  momentarily condenses (since it is busily condensing previous realities). So the Enlightenment time­line description ends up by being not so simple after all, and  worse still, it is full of contradictions.  It was contradictions, after all, that we needed time  in order to resolve, and if our account of time just introduces more of them, we are worse  off than we were before.  (If it strikes the reader that I am sliding back and forth between  the universe's need for ordered time in order to exist coherently, and our need for ordered  time to explain the universe with, that slide is entirely intentional: for after all we are part 

of the universe, and any problem of ours is thus a problem of the universe's as well.  This  little move or slide is going to be important later on.) Evidently no simple description of time will do.  It looks as if we may have to settle for a  description that is at least not contradictory, and let the complications fall as they may.  Certainly we will have to abandon the timeline concept; which means that we will have to  be very skeptical about clocks (analog ones which wind the timeline onto a dial, or digital  ones which map it onto the line of natural numbers) and calendars (which winch it onto  the larger pawls of months and years).

An Emerging Solution A   new   view   of   time   is   emerging   from   a   variety   of   disciplines.     However,   this   new  conception is as yet fragmentary, divided among schools and disciplines often at odds  with each other.  I shall here treat it as a unity rather than as a collection of competing  hypotheses, because I am convinced that in this case to demand the kind of elegance we  expect of a scientific theory, that complex details and phenomena can be reduced to a  single simple principle, would be a mistake.   If time is, as I will argue, precisely the  principle of complexification, we should expect any true theory of it to be a messy Rube  Goldberg contraption rather than a graceful piece of abstract geometry.  We can summarize the new time­conception under six propositions: 1.  Time is complex and concentric. 2.  Time is generated by objects and organisms and its local properties vary accordingly. 3.  Time is evolving and emergent. 4.  Time is branchy and thus free. 5.  Time is looped and nonlinear. 6.  Time is self­pruning and thus providential.

Complex and Concentric Like Chinese boxes or Russian dolls, time is a nested hierarchy of temporalities.   This  idea has been ably synthesized by the International Society for the Study of Time and its  founder, J. T. Fraser.  Human time contains the more primitive times of animals and of  living   organisms   in   general,   which   in   turn   contain   the   time   of   matter   with   its 

electrochemical   and   crystalline   clocks;   and   matter­time   contains   the   cruder   time   of  quantum particles and light, out of which all things are made.   When brain scientists  began to investigate human consciousness, the experience of the self as a simple and  single being was revealed as an illusion, one marvellously constructed, to be sure, by the  nervous system so as to establish unitary command, but actually composed of a huge  range of neural mechanisms.  Likewise our experience of time as a simple flow is a fine  neural   achievement,  a   sort   of   Michael   Jordan   arabesque   that   looks   so   easy  from   the  viewer's end.

Generated by Organisms Time is not a medium or container within which things happen: it is a property generated  by   the   things   themselves,   individually   and   together.     J.   T.   Fraser   coined   the   term  "temporal umwelt" to describe this idea.  The animal ethologist Jacob von Üxkull used  the word "umwelt" to mean the world as it appears to a given animal and as an animal can  affect it, according to what senses and limbs it possesses.  A blind mole has an umwelt  that involves digging but not seeing: a hawk one that involves seeing but not digging.  Atoms  are sensitive to the four forces of  physics but to nothing else and cannot, for  instance, respond to a goose's mating dance or stalk prey or be offended by a slight or  even individually exert gas pressure.  Humans can extend their umwelt by machines like  airplanes and bulldozers and instruments such as telescopes, radios and oscillographs.  The temporal umwelt of an organism is whatever kind of time it needs to experience  things   and   to  do   things.     Our   complicated   human   sense   of   time   includes   its   present  moment, its continuity, its before and after, its past and future, its futureward direction, its  memories and prophecies, its anticipation of death, and its conscious freedom, illustrated  by its branched verb tenses (as in such sentences as: "If you had invested in Microsoft you  could have retired three years ago and would be able now to choose whether to live in  France   or   Hawaii",   which   implies   several   branchpoints   of   decision   and   alternative  timelines).   But human temporality is only the outermost shell of a series of simpler temporalities.  Next down is biotemporality, the time of non­human life, which lacks much of the higher  machinery but retains a direction, continuity, a present moment, and a past.  Next down  (or in) we find the temporal umwelt of molecular matter, which possesses continuity and  a direction (given by the increase of entropy) but no present moment, past, or future.  Deeper still is the temporal umwelt of atoms, which possesses continuity but no necessary  direction­­no   earlier   and   later.     You   can   run   the   movie   of   atoms   moving   about   and 

bouncing   off   each   other   forwards   or   backwards   without   a   discernible   difference   or  violation of scientific laws, whereas if you did the same thing with an energetic chemical  reaction or the diffusion of a gas (or a vase falling and breaking) there would be clear  absurdities.     Simpler   still   are   quantum   particles,   which   don't   even   possess   temporal  continuity: each occupies its own little fragmentary and eternal spot of time.  We humans  are made up of all these levels and can experience the lower ones in our feelings of  animal lust, roller coaster rides, mystical trance, dream, sleep, and death. Different organisms at the same hierarchical level also differ in their temporal experiences  and capabilities, but in ways that are more easily translatable into each other than across  levels; animals of different species can understand much of each other's behavior, but  atoms cannot understand animals.  Human science is the art of such translation.

Evolving and Emergent If time can be hierarchically nested, and its nature contingent upon the local system where  it is studied, a further implication follows.  Time itself evolves.  As we have noted, time is  that which enables the universe to sort and space out different states of a system so that  they do not coexist in a paradoxical violation of identity.  Time enables a tree to be a seed,  a seedling, and a mature tree in order rather than all three at once; and it gives the rule for  what order those states should take.  The order in which temporalities are nested is also  the order in which they appeared; the more complex and elaborated following the less  complex   and   rudimentary.     Higher   more   complex     temporalities   evolve   out   of   lower  simpler ones.  And this principle is robustly proved when we look at the order in which  the objects and systems that comprise the universe made their evolutionary appearance.  In the big bang, only elementary particles existed, with their rudimentary temporality.  Soon afterward, when the universe cooled enough for them to exist, atoms appeared, with  their   characteristic   of   temporal   continuity.     Molecular   matter   followed,   with   its  characteristic tendency to become more thermally disordered over time.  Then life, with  its present moment, its genetic or neural memory, and its ability to make order out of  entropy.  Finally, humans, and their panoply of tenses and their awareness of freedom and  death. There   are   several   measures   by   which   we   can   guage   this   evolutionary   process,   some  simple,   others   less   so.     For   instance,   the   universe   begins   very   hot   and   at   very   high  pressure; naturally it expands and so do the systems that make it up.  As it gets bigger, its  density decreases, like an exploding gas or liquid; and first­year thermodynamics tells us  that an expanding gas or liquid must cool.   As the universe cools, new forms of order 

crystallize out, like frost­flowers forming on a windowpane­­first gravity, then the strong  and weak nuclear forces, then electromagnetism, then coherent matter, then crystals, then  living   organisms,   and   finally   ourselves.     Each   new   form   of   order   differs   from   its  predecessor   by   being   more   reflexive,   self­referential,   self­maintaining,   and   self­ replicating: a wave of energy merely reproduces itself as it flees its point of origin at the  speed of light; matter is energy that uses part of itself to bind itself into a stable knot that  can occupy a single location; life is matter that contains a replicable DNA record of itself;  human culture is life that knows itself neurally and can breed itself into new forms.  This  increased   reflexivity   is   identical   to   an   increase   in   temporal   complexity:   the   more  conscious   and   self­referential   and   self­ordering   a   system   is,   the   higher   its   temporal  umwelt. The mechanism by which this series of emergences occurs is becoming familiar to chaos  theorists:   it   is   self­organization   in   complex   far­from­equilibrium   situations,   crises  sometimes known as bifurcation points.  An ordered system spontaneously appears as one  of   a   number   of   ways   in   which   a   stressed   (in   technical   terms,   a   damped,   driven)  environment solves its energy­budget problems; this process in isomorphically similar to  the emergence of equilibrium solutions in the context of both zero­sum and nonzero­sum  games.  You can observe this happening when a pan of heated water adopts a rolling boil,  thus solving the problem of how to transfer heat from the bottom of the pan to the air.  A  hurricane is a larger version of the same thing, and the Great Red Spot on Jupiter a larger  one still.  The frost­flowers, and crystallization in general, provide another example, with  the   stress   this   time   provided   by   cooling   rather   than   heating.     The   bodies   of   mature  animals and plants are the unimaginably complex emergent answer to the problem of how  to find the most parsimonious solution to the turbulent interaction of all the proteins their  embryonic DNA has specified.

Branchy  and Free In   a   range   of   scientific   disciplines,   branchiness   has   become   a   dominant   theme   in  explaining how the world works.  Most quantum physicists accept some version of Hugh  Everett III's idea that in the absence of any mechanism of choice, every time a quantum  event occurs in which there are equal probabilities of different outcomes, each of those  outcomes does indeed happen, initiating at the branchpoint a new parallel universe, a new  timeline.     Since   quantum   events   are   happening   all   the   time   everywhere,   this   would  produce a rather unruly foliage of temporal dendrification­­but there are pruning shears  available in nature, which we will look at in a moment.  Branchiness is a key concept in  many other fields.  Evolutionary theory concerns itself with the branched lineages of life. 

Anthropological   studies   of   kinship   and   descent,   scholarly   establishment   of   influence,  provenance, or text, electrochemical investigations of alternate molecular pathways, all  accept a branchy view of the world.  Computer science is all about branches­­a transistor  is a controllable branchpoint.  Logic itself is the study of branchpoints such as ands, ors,  ifs, boths, and alls. The branchiness of things as we now conceive them stands in marked contrast to the iron  rails of unique linear deterministic cause and effect as conceptualized by the eighteenth,  nineteenth, and much of the twentieth centuries.  There is not one line of necessity.  The  universe is now increasingly coming to be seen as an open system, with freedom as a  constitutive principle.  Though we can still see the causes by which some situation came  to exist, we are also aware of other plausible outcomes, and we know that some situations  are hugely and irreducibly unpredictable, and that all events are unpredictable at some  minute level of exactness.  Humans are no longer seen as unique in being free­­everything  is, more or less; our uniqueness is now that we recognize and can to some extent control  that freedom­­even, as we bind ourselves with promises, freely corral our own freedom  and prune our possible futures.

Looped and Nonlinear As we have already noted, quantum theory makes the observer a player in reality, and  observation   always   takes   place   after   the   fact.     Thus   the   future   of   an   event   can   help  determine that event, so that now a weak "backward­in­time" influence is added to the  strong   "forward­in­time"   constraints   of   causality,   thus   closing   a   feedback   loop   and  rendering time nonlinear or looped.  We are now observing the big bang in the form of  radiation that set out thirteen billion years ago, and thus in some very minute way we are  helping determine how the big bang happened.   The physicist John Archibald Wheeler  has argued that since events require observers to transform them from mere probabilities  into actual realities, the only real big bang that could occur would be one which would  later bring about observers of it.  This is not as radical an idea as its initial formulation as  the Anthropic Principle would suggest; even atoms are reasonable candidates for being  observers in the physical sense, and harmonics among quantum waves can bring about a  similar   collapse from distributed  probability  to coherent near­certainty.   Nevertheless,  how something is observed affects its nature, as well as simply that it is observed; and  humans can observe in a variety of new ways, asking new questions of the universe to  which the universe­­including its own past­­must suddenly come up with an answer, never  having had the need to "make up its mind" on the issue before.

The more exciting implication of this nonlinearity of time is that observing beings in our  own   future,   or   futures,   must   one   day   be   observing   us,   and   thus   rendering   what   is  indeterminate about us definite and real.  If we are faintly aware of this process going on,  that   awareness   would   nicely   correspond   to   such   claims   as   prophetic   inspiration,  conversations   with   angels   or   spirits,   the   voice   of   conscience,   near­death   experiences,  divination, deja vu and other phenomena.

Self­pruning and Providential If   we   combine   the   ideas   of   branchiness   and   loopedness,   an   extremely   interesting  possibility emerges.   Though physicists accept the parallel universes theory, they do so grudgingly; there is  something   deeply   cumbersome   about   all   that   foliage   of   timelines,   and   the   problem  remains of where they all are­­why can't we see them?  The only space for them is, after  all, space­­the same space that we occupy.  Why doesn't their combined near­infinite mass  crush our universe in an instant?  If they are separate from us in space, how did they get  there?  If a whole new universe branches off from some quantum event in my fingernail,  where does the energy come from to transport it trillions of light years away so that it  doesn't get in the way of this one?  The universe does contain a lot of "dark matter" that  we can only detect by the influence of its mass, but it is only a small multiple of the  ordinary matter we know and love; there is room in that mass for some alternative futures  of past events, but not many.  Again, the universe does have a quantum fuzziness at small  scales, such that quantum superposition and nonlocality can flourish; we can interpret  that fuzz as the penumbra of parallel universes hovering around this one; but at larger  scales that fuzziness is damped out. How, to return to our former puzzle, can the foliage be pruned?  If the universe is free,  how can that freedom be transformed from arbitrary randomness to definite choice?  The  retroactive observer­participant effect gives us a neat answer.  The futures prune the past.  Later   states   of   the   universe,   containing,   we   hope,   more   and   more   intelligent   and  beneficent   observers,   are   helping   us­­and   helped   our   predecessors   in   the   living   and  chemical and physical worlds­­to choose one future out of the many on offer.  The future  is still not determined, that is, there are several possible futures, each with a probability of  less than one; depending on the level of their probability and their coherence with other  futures, they can weakly affect us by observing us, but only with our cooperation, and we  can abolish them or render them more likely by what we do.  We thus live in a deeply  moral   universe,   where   good   and   evil   futures   whisper   their   suggestions   to   us   in   the 

quantum fluctuations of our synaptic junctions, and we must choose by our actions the  best futures we can.   The correspondence of this idea with the teachings of all human religions should be clear.  There is a (somewhat beleaguered) providence that can offer us grace or enlightenment if  we choose to accept it, our moral actions are important, and we are in relationship with  beings that we have always strangely represented as like children­­putti, cherubs, the fat  infantile Buddha, the Christ child­­as he called himself, the "son of Man", elves, spirits,  alien   abductors,   and   so   on­­because   they   are   indeed   our   descendants.     And   if,   after  billions of years, those beings all agree on their story and achieve a transcendent unity,  then the universe will have been all along the fetus of a gestating God, among whose  infant neurons, gradually wiring up the synaptic connections, we can count ourselves.

Conclusion The reader will recognize that these last sentences are clearly speculative and poetic.  But  the model of time we have possessed for over two hundred years will clearly not hold up  any more.  The relationship between the past and the future can no longer be seen as like  a line, but more like a solid at least, a sort of expanding sphere whose innards are the past,  whose surface is the present, and whose outside is all the possible futures.   Past is to  future as part is to whole; our ignorance of the future is the ignorance of the individual  brain   cell   about   the   huge   and   mysterious   thoughts   that   it   mediates   and   in   whose  formulation it participates.  As the physicist Arthur Eddington put it, the universe is not  so much like a vast machine as like a vast thought.   And Time is the milieu of that  thought.