"Dacă Humpty Dumpty cade de pe zid şi se sparge, nici măcar toţi oamenii regelui nu pot să îl aducă la forma de dinainte de căzătură." Procesul este ireversibil, precum majoritatea fenomenelor din Univers. Aceasta pentru că timpul curge doar înainte, ireversibil, inexorabil.
Articol scris în octombrie 2009.
Fiind student la o universitate mare precum McGill din Montreal, Canada, am acces la prezentări publice în care mari nume de pe scena mondială a ştiinţei prezintă pe înţelesul publicului larg cele mai fierbinţi subiecte din ştiinţa de astăzi.
Tema legată de întrebarea "de ce curge timpul doar înainte?" este atât de interesantă, încât am realizat o sinteză a ideilor prezentate de cercetătorul Sean Carroll, sinteză pe care am dorit să o ofer şi publicului din România. Lectură plăcută!
"Dacă oul Humpty Dumpty cade de pe zid şi se sparge, nici măcar toţi oamenii regelui nu pot să îl aducă la forma de dinainte de căzătură." Procesul este ireversibil, precum majoritatea fenomenelor din Univers. Aceasta pentru că timpul curge doar înainte, ireversibil, inexorabil. Timpul are asociată o săgeată care poate fi îndreptată doar către înainte.
De ce curge timpul doar înainte? Cercetătorul Sean Carroll de la Caltech prezintă răspunsul ştiinţei la această întrebare, într-o conferinţă adresată publicului din 19 octombrie 2009 de la McGill University, Montreal, Canada.
Simţim curgerea timpului ...
Simţim curgerea timpului aici şi acum, în viaţa noastră de zi cu zi. Simţim, dar e mai greu să îl definim. Simţim, căci vedem cum putem merge în orice direcţie din spaţiu în fiecare dintre cele două sensuri - înainte sau înapoi, în stânga sau în dreapta, în sus sau în jos - dar vedem că în timp nu putem merge decât înainte, că timpul curge ireversibil, că nu ne putem întoarce înapoi în timp, că timpul curge doar înainte, cu alte cuvinte că există o săgeată imaginară a timpului orientată către înainte. De exemplu, simţim că dacă dăm drumul unui ou să cadă şi acesta se sparge, este imposibil să luăm resturile de pe jos şi să reconstituim din ele oul în forma iniţială. Sau putem să amestecăm frişca cu cafeaua, dar apoi este imposibil să mai separăm frişca de cafea, adică să revenim la starea de dinainte de amestec. Aceste lucruri sunt ireversibile. Mai mult, vedem cum fiecare din noi se naşte, îmbătrâneşte şi moare. Faptele vieţii se întâmplă doar o singură dată şi nu mai revin niciodată. Simţim clar aşadar că timpul are asociată o săgeată imaginară orientată către înainte, că timpul curge doar înainte. Dar ce este timpul de fapt?
Cum definim exact timpul?
Nu este un lucru uşor, pentru că în definiţie nu trebuie să apară cuvântul timp. Altfel, ar fi o definiţie circulară. Observăm că în Univers există fenomene care se repetă periodic, ciclic. De exemplu, rotaţia Pământului în jurul propriei sale axe, sau rotaţia sa în jurul Soarelui. Sau vibraţia cristalelor de cuarţ. Am fi tentaţi să spunem că aceasta este curgerea timpului. Dar ne-am înşela. Aceste fenomene repetitive sunt doar o unealtă pentru a măsura trecerea timpului, purtând denumirea de ... ceasuri, dar ele nu reprezintă trecerea timpului! Dimpotrivă, trecerea timpului apare cel mai clar atunci când vedem fenomene neperiodice, neciclice, fenomene care au loc o singură dată, ireversibil. Majoritatea fenomenelor din Univers sunt astfel de fenomene. Dar putem spune despre ele că s-au derulat în timp ce au avut loc atâtea vibraţii ale cristalelor de cuarţ din ceasurile electronice sau în timpul a atâtea rotaţii ale Pământului în jurul propriei sale axe (zile) sau în jurul Soarelui (an). Dar acestea sunt doar diferite tipuri de ceasuri. Secretul trecerii ireversibile a timpului constă tocmai în fenomenele neciclice, neperiodice.
Fenomene repetitive, adică ceasuri
Dar să mai analizăm câteva tipuri de ceasuri. Şi pendulul este un ceas, dar nu la fel de precis precum cel realizat cu ajutorul unor cristale de cuarţ. Oscilaţia pendulului nu mai este aşa de precisă atunci când pendulul se află pe un vapor care se leagănă pe valurile mării, dar cristalele de cuarţ vor oscila la fel, căci oscilaţia lor este electromagnetică. Există şi ceasuri în organismele vii. Sunt cele care fac să apară senzaţiile de foame sau somn la aproape aceeaşi oră. Poartă numele de ciclul circadian. Inima ne bate aproximativ de un număr fix de ori pe minut. Dar este un ceas mai puţin precis, căci frecvenţa bătăilor este influenţată uşor de starea fizică sau psihică a individului. De altfel, Galileo Galilei a descoperit faptul că toate pendulele au aceeaşi perioadă de oscilaţie, indiferent de amplitudinea oscilaţiei, atunci când oscilaţia este suficient de mică, tocmai măsurând perioada de oscilaţie cu ajutorul pulsului său. Apoi, a construit un pendul cât de cât precis care a fost folosit ca ceas pentru a măsura pulsul pacienţilor ...
Fenomenele nerepetitive sunt cele mai numeroase. Ele ne înfăţişează "săgeata timpului"
În concluzie, simţim pe pe pielea noastră cum repetiţia ne ajută să măsurăm trecerea timpului, dar este interesant că timpul trece tocmai în mod ireversibil, nerepetitiv pentru majoritatea lucrurilor (exemplele cu oul ce se sparge sau cu cafeaua ce se amestecă cu frişca). Simţim cum tot ceea ce nu este repetitiv sau ciclic are o evoluţie în timp.
Şi Universul evoluează nerepetitiv
Dar de fapt nu doar organismele vii au o evoluţie, ci chiar şi stelele au o evoluţie. Însuşi Universul, în ansamblu, evoluează. Universul nu a fost dintotdeauna în starea de astăzi, cea pe care o experimentăm noi aici şi acum. În trecut, Universul era mai dens şi mai fierbinte, iar în viitor va fi mai rarefiat şi mai rece. Trecutul este bătut în cuie şi nu poate fi schimbat. Dar viitorul este liber, mai ales pentru fiinţele dotate cu liber arbitru. Faptul că vă amintiţi ceea ce am spus acum 5 minute (şi ştiu că vă amintiţi!) şi faptul că nu ştiţi ceea ce voi spune peste 5 minute (şi sper să nu ştiţi!) este tocmai un exemplu în sprijinul ideii că astăzi timpul curge doar înainte. Dar aceasta vine din faptul că timpul a curs dintotdeauna spre înainte în Univers! Universul evoluează şi el în timp ...
Entropia, mărimea fizică care caracterizează săgeata timpului
Dar ce mărime fizică anume caracterizează această curgere ireversibilă a timpului? Ea a fost descoperită şi studiată în secolul al XIX-lea. Este un secol peste care popularizatorii de ştiinţă trec din păcate prea uşor, sărind de la Newton direct la Einstein. Dar multe progrese importante s-au realizat în ştiinţă în secolul al XIX-lea, iar unul din ele este tocmai descoperirea acestei mărimi fizice care exprimă curgerea ireversibilă a timpului, anume ... entropia. Legea fizică care exprimă curgerea ireversibilă a timpului poartă numele de "legea a doua a termodinamicii" şi spune că într-un sistem închis (adică unul care nu schimbă materie şi energie cu exteriorul lui), orice s-ar întâmpla în sistem, entropia ori creşte, ori rămâne constantă. Cu alte cuvinte, legea spune că trebuie să se întâmple doar acele procese care duc la creşterea de entropie, fiind interzise de natură cele care ar încerca să micşoreze entropia. Cu alte cuvinte, entropia creşte mereu în timp. Entropia şi timpul curg doar înainte.
Ce se întâmplă din punct de vedere fizic atunci când creşte entropia unui sistem?
Dar ce se întâmplă mai precis din punct de vedere fizic când creşte entropia? Cum putem privi din punctul de vedere al structurii materiei din cadrul atomilor şi moleculelor? Omul care a înţeles acest fenomen este Stefan Boltzmann, care în 1870 a dedus o ecuaţie ce i-a devenit epitaf: S=k log(W), adică entropia S este proporţională cu logaritmul numărului W de stări posibile de aranjare a componentelor microscopice (atomi şi molecule) pentru a crea aceeaşi stare macroscopică. Cu alte cuvinte, entropia este interpretată ca un fel de grad de dezordine a componentelor microscopice. De exemplu, atunci când există un cub de gheaţă într-un pahar cu apă lichidă, sistemul are o entropie mai mică decât după ce gheaţa s-a topit. Desigur, aceasta ne spune legea a doua a termodinamicii, că sistemul evoluează astfel încât entropia să îi crească, dar privind problema prin prisma revelaţiei lui Boltzmann, putem înţelege că moleculele din gheaţă se pot mişca doar în gheaţă, iar cele din apa lichidă doar în apă. Dar după ce gheaţa s-a topit, există doar apă lichidă în pahar, iar moleculele de apă care înainte erau în gheaţă şi erau constrânse să nu iasă din volumul gheţii, sunt acum libere să se mişte în tot volumul ocupat de lichid. Astfel, sunt mai "dezordonate", au mai multe posibilităţi de aranjare microscopică care să dea aceleaşi condiţii macroscopice de presiune şi temperatură, de exemplu.
Marele mister: de ce Universul de după Big Bang avea entropia cea mai mică
Bun ... Până acum am înţeles că în prezent entropia Universului este mai mare decât a fost ieri şi mâine va fi mai mare decât este astăzi, iar aceasta înseamnă din punct de vedere fizic o creştere a numărului de stări microscopice în care componentele universului se pot afla. Alaltăieri aveam de-a face cu o entropie mai mică decât ieri, acum patru zile mai mică ca alaltăieri şi din aproape în aproape ajungem la concluzia că la momentul de după Big Bang, acea explozie primordială care a creat spaţiul şi timpul, Universul a avut cea mai mică entropie. Ori acesta este un lucru pe care ştiinţa încă nu îl poate explica. Este nevoie de o nouă intuiţie de geniu, asemenea celei gândite de Boltzmann, care să rezolve acest mister ...
Legile microscopice nu au asociată o săgeată a timpului
Căci este un adevărat mister, pentru că atunci când privim legile în care aceste microcomponente ale materiei interacţionează între ele două câte două, observăm că legile fizicii sunt simetrice faţă de timp, adică nu au asociată vreo săgeată a timpului. Ca o analogie, dacă filmăm două bile de biliard ciocnindu-se şi apoi ricoşând una de alta şi îndepărtându-se şi apoi rulăm filmul către înapoi şi îl arătam cuiva, acel cineva va spune că da, filmul este perfect plauzibil.
Legile macroscopice au asociată însă o săgeată a timpului
Dacă însă filmăm mai multe bile de biliard cum stau ordonate şi în repaus şi apoi mingea albă le sparge la început de joc, ele ajungând în diferite poziţii pe tablă, iar apoi punem filmul în sens invers, persoana respectivă va spune imediat că aşa ceva nu se poate întâmpla în natură. Fenomenul de săgeată a timpului apare aşadar atunci când sistemul cuprinde un număr mare de componente microscopice, care pot exista într-un număr mare de stări.
Cheia rezolvării misterului: cosmologia şi înţelegerea Big Bang-ului
Aşadar rezolvarea misterului săgeţii timpului nu stă în studierea legilor elementare ale particulelor, ci în cosmologie, care trebuie să explice de ce imediat după Big Bang Universul avea o entropie aşa de mică, adică o ordine aşa de mare. Până aici ne-a dus ştiinţa în prezent. La a înţelege că misterul pentru care atunci când "Humpty Dumpty had a great fall, all the king's horses and all the king's men couldn't put Humpty together again," are drept cauză faptul că Universul timpuriu avea o entropie aşa de mică. Este imperativ aşadar să înţelegem Big Bang-ul. Dar toate legile fizicii cunoscute până acum încetează să funcţioneze când vrem să discutăm de lucruri care s-au petrecut la mai puţin de 10^-43 de secunde după Big Bang.
