Živi Žir - Broj 4

Day 5,435, 08:54 Published in Croatia Croatia by Ambroz Haracic

Broj 4 - dan 5,435

Vrijeme, Strijele, Termodinamika i Entropija

Čini se da vrijeme ima smjer, da je usmjereno. Prošlost leži iza nas i fiksna je i nepromjenjiva, dostupna je sjećanjem i pisanom dokumentacijom. Budućnost je s druge strane pred nama i nije nužno fiksna i iako je donekle možemo predvidjeti, nemamo čvrstih dokaza za to. Većina događaja koje doživljavamo su nepovratni, na primjer, lako nam je razbiti jaje a teško, ako ne i nemoguće, "odrazbiti" već razbijeno jaje. Čini nam se nezamislivim da bi to napredovanje moglo ići u bilo kojem drugom smjeru. Taj jednosmjerni smjer ili asimetrija vremena se često naziva strijela vremena i ona nam daje dojam kako vrijeme prolazi kako i mi sami prolazimo kroz različite trenutke. Strijela vremena je dakle jedinstven smjer povezan s očiglednim neizbježnim "protokom vremena" u budućnost.



Ideju strijele vremena je donekle prvi istražio i razvio britanski astronom i fizičar Sir Arthur Eddington davne 1927. godine, podrijetlo izraza se uglavnom pripisuje njemu. Ono što je zanimalo Eddingtona je da bi se potpuno ista strijela vremena odnosila na izvanzemaljsku rasu na drugoj strani svemira kao što se odnosi na nas. To dakle nema veze sa našom biologijom i psihologijem već sa načinom na koji svemir funkcionira. Strijela vremena nije isto što i samo vrijeme već obilježje svemira i njegovog sadržaja i načina na koji se razvijao.


Sir Arthur Eddington

Je li strijela vremena iluzija?
Prema teoriji relativnosti stvarnost svemira može se opisati kao četverodimenzionalni prostor-vrijeme, tako da vrijeme zapravo ne teče nego ono samo jest. Percepcija strijele vremena koju imamo u našem svakodnevnom životu čini se da nije ništa drugo nego iluzija svijesti u ovom modelu svemira, pojavna kvaliteta koju slučajno doživljavamo zbog naše posebne vrste postojanja na ovom određenom točka u evoluciji svemira.

Možda je još zanimljivija činjenica da, iako su događaji i procesi na makroskopskoj razini – ponašanje rasutih materijala koje doživljavamo u svakodnevnom životu – prilično jasno vremenski asimetrični (tj. prirodni procesi doista imaju prirodan vremenski poredak, a postoji očit smjer vremena prema naprijed), fizički procesi i zakoni na mikroskopskoj razini, bilo klasični, relativistički ili kvantni, potpuno su ili uglavnom vremenski simetrični. Ako je fizički proces fizički moguć, onda se općenito isti proces može odviti unatrag, tako da, ako biste hipotetski gledali film fizičkog procesa, ne biste mogli reći reproducira li se unaprijed ili unatrag , jer bi oboje bilo jednako vjerojatno.

Stoga u teoriji većina zakona fizike ne navodi nužno strijelu vremena. Međutim, postoji važna iznimka - drugi zakon termodinamike.

Termodinamička strijela vremena

Većina uočene vremenske asimetrije na makroskopskoj razini – razlog zbog kojeg vrijeme vidimo kao usmjereno prema naprijed – u konačnici se svodi na termodinamiku, znanost o toplini i njezinu odnosu s mehaničkom energijom ili radom, a točnije na Drugi zakon termodinamike . Ovaj zakon kaže da će, kako idemo naprijed kroz vrijeme, neto entropija (stupanj nereda) bilo kojeg izoliranog ili zatvorenog sustava uvijek rasti (ili će barem ostati ista).


Slika koja daje uvid u značenje entropije

Koncept entropije i raspada uređenih sustava istražio je i razjasnio njemački fizičar Ludwig Boltzmann 1870-ih, nadovezujući se na ranije ideje Rudolfa Clausiusa, ali to je i dalje teška i često pogrešno shvaćena ideja. Entropija se u većini slučajeva može smatrati kao da stvari (materija, energija itd.) imaju tendenciju raspršivanja. Dakle, vrući objekt uvijek odaje toplinu u atmosferu i hladi se, a ne obrnuto, kava i mlijeko se pomiješaju, ali se onda ne razdvajaju, kuća ostavljena bez nadzora s vremenom će se srušiti, ali hrpa cigala nikad se spontano ne formira u kuću. Međutim, kao što ćemo objasniti u nastavku, to nije baš tako jednostavno i bolji način razmišljanja o tome može biti kao tendencija prema slučajnosti.

Treba napomenuti da je u termodinamičkim sustavima koji nisu zatvoreni vrlo moguće da se entropija može smanjiti s vremenom (npr. formiranje određenih kristala, mnogi živi sustavi koji mogu smanjiti lokalnu entropiju na račun okolnog okoliša što rezultira u neto ukupnom povećanju entropije, formiranje izoliranih džepova plina i prašine u zvijezde i planete, iako entropija svemira u cjelini nastavlja rasti...). Sve lokalizirane ili privremene instance reda unutar svemira stoga su u prirodi epifenomena unutar cjelokupne slike svemira koji nezaustavljivo napreduje prema neredu.

Možda je kontraintuitivno, ali istina je da se ukupna entropija zapravo povećava čak i kada se u svemiru formiraju strukture velikih razmjera (npr. galaksije), te da guste i kompaktne crne rupe imaju nevjerojatno visoku entropiju, i zapravo čine veliku većinu entropije u današnjem svemiru. Isto tako, relativno glatka konfiguracija vrlo ranog svemira zapravo je pokazatelj vrlo niske ukupne entropije (tj. visoka entropija ne mora nužno implicirati glatkoću. Nasumična "kvrgavost" kao u našoj sadašnjosti svemira zapravo je karakteristika visoke entropije).

Većina procesa koji nam se čine nepovratnima u vremenu su oni koji započinju, iz nekog razloga, u nekom vrlo posebnom, visoko uređenom stanju. Na primjer novi špil karata ima redoslijed brojeva, ali čim ih promiješamo postaju neuređeni; jaje je puno uređenije stanje od razbijenog ili kajgane itd. Ne postoji ništa u zakonima fizike što sprječava čin miješanja špila karata da proizvede savršeno uređen skup karata – uvijek postoji šansa za to, to je samo nevjerojatno mala šansa. Da dam još jedan primjer, postoji mnogo više mogućih neuređenih rasporeda slagalice od jednog uređenog rasporeda koji čini cjelovitu sliku. Dakle, prividna asimetrija vremena zapravo je samo asimetrija slučajnosti – stvari se razvijaju iz reda u nered ne zato što je obrnuto nemoguće, već zato što je vrlo malo vjerojatno. Drugi zakon termodinamike stoga je više statističko načelo nego temeljni zakon (ovo je bio veliki Boltzmanov uvid). Ali ishod je da, pod uvjetom da je početno stanje sustava relativno visokog reda, tada će tendencija gotovo uvijek biti prema neredu.

Čini se, dakle, da je termodinamika jedan od rijetkih fizičkih procesa koji nije vremenski simetričan, a toliko je temeljna i sveprisutna u našem svemiru da bi mogla biti sama odgovorna za našu percepciju vremena kao smjera. Doista, nekoliko drugih strijela vremena navedenih u nastavku u konačnici se vraćaju na asimetriju termodinamike. Doista, ovaj je zakon toliko jasan da je mjerenje entropije predstavljeno kao način razlikovanja prošlosti od budućnosti, a termodinamička strijela vremena čak je istaknuta kao razlog zašto se možemo sjećati prošlosti, ali ne i budućnosti, zbog činjenice da je entropija ili poremećaj bio manji u prošlosti nego u budućnosti.

Kozmološka strijela vremena
Tvrdi se da strijela vremena pokazuje u smjeru širenja svemira, budući da svemir nastavlja rasti sve veći i veći od svog početka u Velikom prasku. Početkom 20. stoljeća postalo je očito zahvaljujući radu Edwina Hubblea i drugih, da se prostor doista širi, a galaksije se sve više udaljavaju. Stoga je logično da je u mnogo ranijem razdoblju svemir bio mnogo manji te konačno i koncentriran u jednoj točki ili singularnosti, koju nazivamo veliki prasak. Stoga se čini da svemir ima neku vanjsku usmjerenost. U našem svakodnevnom životu, međutim, nismo fizički svjesni ovog kretanja i teško je vidjeti kako možemo percipirati širenje svemira kao strijelu vremena.

Kozmološka strijela vremena može biti povezana s termodinamičkom strijelom ili čak ovisiti o njoj, s obzirom na to da kako se svemir nastavlja širiti i ide prema konačnoj toplinskoj smrti ili velikom hlađenju, on također ide u smjeru povećanja entropije, do položaja maksimalne entropije, gdje količina upotrebljive energije postaje zanemariva ili čak nula. Ovo je u skladu s drugim zakonom termodinamike u smislu da je opći smjer od trenutnog polu uređenog stanja, obilježenog ispadima reda i strukture, prema potpuno neuređenom stanju toplinske ravnoteže. Međutim, ono što ostaje glavna nepoznanica u modernoj fizici je točno zašto je svemir imao vrlo nisku entropiju u svom postanku, velikom prasku.


Graf

Također je moguće – iako je manje vjerojatno prema predviđanjima trenutne fizike – da bi sadašnja faza širenja svemira mogla na kraju usporiti, zaustaviti se i zatim preokrenuti pod utjecajem gravitacije. Svemir bi se tada vratio u zrcalnu sliku Velikog praska poznatog kao "Veliki slom" (i moguće kasniji "Veliki odskok" u jednom od niza cikličkih ponavljanja). Kako se svemir skuplja i kolabira, entropija će se u teoriji početi smanjivati ​​i, vjerojatno, strijela vremena će se preokrenuti i vrijeme će zapravo početi teći unatrag. Prema ovom scenariju, strijela vremena koju doživljavamo samo je funkcija našeg trenutnog mjesta u evoluciji svemira i u nekom drugom trenutku mogla bi nezamislivo promijeniti svoj smjer. Međutim, postoje paradoksi povezani s ovim gledištem jer, gledano s odgovarajuće udaljene i dugoročne točke gledišta, vrijeme će nastaviti teći "naprijed" (barem u nekim aspektima), čak i ako je svemir u fazi kontrakcije a ne u fazi ekspanzije. Dakle, kozmička asimetrija vremena i dalje bi se mogla nastaviti, čak i u "zatvorenom" svemiru ove vrste.


Kozmička misterija

Radijativna strijela vremena
Valovi svih vrsta, poput svijetlosti, uvijek su radijacijski i šire se prema van od svojih izvora. Dok teorijske jednadžbe dopuštaju suprotne (kovergentne) valove. To se nikad ne vidi u prirodi. Ovu asimetriju neki smatraju razlogom za asimetriju vremena.

Moguće je da strijela zračenja također može biti povezana s termodinamičkom strijelom, jer zračenje sugerira povećanu entropiju, dok konvergencija sugerira povećani red. Ovo postaje osobito jasno kada smatramo da zračenje ima aspekt čestica (tj. da se sastoji od fotona) kao što sugerira kvantna mehanika.

Kvantna strijela vremena
Cijeli mehanizam kvantne mehanike (ili barem njena konvencionalna kopenhagenska interpretacija) temelji se na Schrödingerovoj jednadžbi i kolapsu valnih funkcija, a čini se da je to vremenski asimetričan fenomen. Na primjer, položaj čestice opisuje se valnom funkcijom, koja u suštini daje različite vjerojatnosti da je čestica u mnogo različitih mogućih položaja (ili superpozicija) a valna funkcija propada samo kada se čestica stvarno promatra. U tom trenutku se konačno može reći da je čestica u jednom određenom položaju, a sve informacije iz valne funkcije tada se gube i ne mogu se ponovno stvoriti. U tom smislu, proces je vremenski ireverzibilan i stvara se strijela vremena.


Kopenhagenska interpretacija

Neki fizičari, uključujući tim Aharonova, Bergmanna i Lebowitza iz 1960-ih, doveli su u pitanje ovo otkriće. Njihovi su eksperimenti zaključili da vremenski asimetrične odgovore u kvantnoj mehanici dobivamo samo kada postavljamo vremenski asimetrična pitanja te da se pitanja i eksperimenti mogu oblikovati na takav način da su rezultati vremenski simetrični. Dakle, kvantna mehanika ne nameće svijetu vremensku asimetriju nego svijet kvantnoj mehanici nameće vremensku asimetriju.

Nije jasno kako je kvantna strijela vremena, ako doista uopće postoji, povezana s drugim strijelama, ali je moguće da je povezana s termodinamičkom strijelom, jer priroda pokazuje sklonost kolapsu valnih funkcija u više entropijska stanja naspram nižih.

Strijela vremena slabe nuklearne sile
Od četiri temeljne sile u fizici (gravitacija, elektromagnetizam, jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila), slaba nuklearna sila je jedina koja ne pokazuje uvijek potpunu vremensku simetriju. Stoga u određenoj ograničenoj mjeri postoji slaba sila vremenske strijele, a to je jedina vremenska strijela koja se čini potpuno nepovezanom s termodinamičkom strijelom.


4 temeljne sile

Slaba nuklearna sila je vrlo slaba interakcija u jezgri atoma, a odgovorna je, između ostalog, za radioaktivni beta raspad i proizvodnju neutrina. To je možda najmanje shvaćena i najčudnija od temeljnih sila. U nekim situacijama slaba sila je vremenski povratna, npr. proton i elektron mogu se spojiti i proizvesti neutron i neutrino, a neutron i neutrino koji se spoje zajedno mogu također proizvesti proton i elektron (čak i ako su šanse da se to dogodi u praksi vrlo male). Međutim, postoje primjeri slabe interakcije koji su vremenski nepovratni, na primjer slučaj osciliranja i raspada neutralnih čestica kaona i anti-kaona. Pod određenim uvjetima, eksperimentalno je pokazano da se kaoni i anti-kaoni zapravo raspadaju različitim brzinama, što ukazuje da slaba sila zapravo nije vremenski reverzibilna, čime se uspostavlja neka vrsta vremenske strijele.

Ipak, treba napomenuti da ovo nije tako jaka ili temeljna strijela vremena kao što je termodinamička strijela (razlika je između procesa koji bi mogao ići u bilo kojem smjeru, ali na malo drugačiji način ili drugačijom brzinom, i istinski nepovratan proces – poput entropije – koji jednostavno ne može ići u oba smjera). Doista, to je tako rijetka pojava, tako mala i jedva zamjetljiva u svom učinku, i toliko odvojena od bilo koje druge strijele, da se obično karakterizira kao neobjašnjiva anomalija.

Uzročna strijela vremena
Iako nije izravno povezana s fizikom, čini se da je uzročnost blisko povezana s vremenskom strijelom. Po definiciji, uzrok prethodi svojoj posljedici. Iako je iznenađujuće teško na zadovoljavajući način definirati uzrok i posljedicu, koncept je lako vidljiv u događajima našeg svakodnevnog života. Ako ispustimo čašu s vinom na pod, ona će se razbiti, dok je malo vjerojatno da će razbijeno staklo na podu naknadno rezultirati nerazbijenom držanom čašom sa vinom. Uzrokujući da se nešto dogodi, u određenoj mjeri kontroliramo budućnost, dok što god učinili, ne možemo promijeniti ili kontrolirati prošlost.

Još jednom temeljni princip mogao bi se vratiti na termodinamičku strijelu - dok se neuredno razbijeno staklo može lako napraviti od dobro uređene vinske čaše, obrnuto je mnogo teže i malo vjerojatno.

Psihološka strijela vremena
Varijanta uzročne strijele ponekad se naziva psihološka ili perceptivna strijela vremena. Čini se da imamo urođeni osjećaj da naša percepcija ide od poznate prošlosti do nepoznate budućnosti. Predviđamo nepoznato i automatski idemo naprijed prema njemu, a iako smo u stanju prisjetiti se prošlosti, obično ne gubimo vrijeme pokušavajući promijeniti već poznatu i fiksiranu prošlost.

Stephen Hawking je tvrdio da čak i psihološka strijela vremena u konačnici ovisi o termodinamičkoj strijeli i da se možemo sjećati samo prošlih stvari jer one tvore relativno mali skup u usporedbi s potencijalno beskonačnim brojem mogućih nesređenih budućih skupova.


Mladi Stephen Hawking

Antropsko načelo
Neki mislioci, uključujući ponovno Stephena Hawkinga, pričvrstili su smjer strijele vremena na ono što se ponekad naziva slabim antropičkim principom, ideju da su zakoni fizike takvi kakvi jesu samo zato što su to zakoni koji omogućuju razvoj osjećajnih, proispitivajućih bića poput nas samih. Ne radi se o tome da je svemir na neki način "dizajniran" da dopusti ljudskim bićima, jednostavno se nalazimo u takvom svemiru samo zato što je takav kakav jest, iako se svemir lako mogao razviti na sasvim drugačiji način s prilično različitim zakonima.

Stoga je, tvrdi Hawking, snažna termodinamička strijela vremena nužan uvjet za razvoj inteligentnog života kakvog poznajemo. Na primjer, bića poput nas trebaju konzumirati hranu (relativno uređen oblik energije) i pretvoriti je u toplinu (relativno neuređeni oblik energije), za što je neophodna termodinamička strelica poput ove koju vidimo oko sebe. Da je svemir drukčiji, ne bismo bili ovdje da ga promatramo.

You can read this article in english by clicking here




Hvala na čitanju, Vaš urednik
Ambroz Haračić