KOSMIČKO TKANJE

JEDNOSMERNO VREME

Index/123rf

Zašto vreme ide samo u jednom smeru, od prošlosti prema budućnosti? Zato što postoji jedan ključni izuzetak od fizičkih zakona zaslužan za našu percepciju postojanja smera vremena, a to je tzv. entropija koja proizlazi iz drugog zakona termodinamike. Entropija je veličina koja, statistički gledano, ima zadati vremenski smer.

Jedno od pitanja koje ljudi postavljaju od kada postoje filozofija i nauka jeste zašto se vreme uvek kreće samo u jednom smeru od prošlosti preko sadašnjosti prema budućnosti, odnosno zašto vrijeme ima ireverzibilan smer. Ovo pitanje aktuelizovao je nedavno objavljen rad dvojice fizičara Džermejna Tobara i Fabija Koste, prema kojem je uklonjena barem jedna zapreka za putovanje kroz vreme, a to su uobičajeni logički paradoksi koji idu uz njega.

Jedan od paradoksa putovanja kroz vreme jeste paradoks konzistencije ili paradoks dede. On postaje relevantan kada se tokom putovanja u prošlost promeni povest. Recimo da čovek otputuje u svoju prošlost i u njoj ubije svog dedu još za njegovog detinjstva. U tom slučaju njegov deda ne bi mogao začeti njegove roditelje pa ne bi bilo ni njega. A kako njega ne bi bilo, on ne bi mogao ni putovati u prošlost ni ubiti svog dedu. No u ovom tekstu nećemo se baviti putovanjem kroz vreme, ni paradoksima povezanim s njim, već temeljnim pitanjem zašto strelica vremena uvek ima isti smer.

Nema zadati smer

Psihološki mi prošlost jasno prepoznajemo kao nešto što je iza nas i što je poznato, a budućnost kao nešto što je pred nama i nepoznato je. Iskustvo nas uči da nije moguće okrenuti film života unazad, a da to niko ne primeti kao nešto pogrešno. Ako neki filmski zapis iz svakodnevnog života vrtimo unazad, uglavnom je uvek svima jasno da se zbiva nešto neprirodno. Primerice, niko ne očekuje da bi čaša koja je sa stola pala na pod i razbila se mogla uzleteti natrag s poda na sto i na njemu se ponovo sastavila u izvornu celinu ispunjenu telnošću. Već i deca mogu prepoznati da u takvim filmskim prizorima nešto ne štima.

No s druge strane, kada se gledaju temeljni zakoni fizike, poput zakona mehanike, vreme zapravo nema zadati smer. To osobito vredi na mikroskopskoj ravni, na ravni atoma i molekula. Na makroskopskoj vredi samo u idealnim uslovima, odnosno u idealnim fizičkim modelima.

No uzmimo ipak privremeno kao ilustraciju primer iz makrosveta. Ako s neke tačke na nekoj zgradi pustimo loptu da pada prema tlu i snimimo događaj, moći ćemo ga vrteti i napred i nazad, a da niko neće moći reći koji je smer pravi – je li lopta ispuštena da pada prema dole ili je ispucana da leti uvis. To je zato što je zakon gravitacije reverzibilan. Lopta koja pada ubrzava istom akceleracijom koja zavisi od vremena, baš kao što lopta ispucana uvis postupno usporava.

Isto vredi i za sudar bilijarskih kugli. Ako bela kugla juri prema crvenoj koja mirno stoji na bilijarskom stolu i pogodi je u sredinu, bela će se zaustaviti, a crvena nastaviti kretati istom brzinom kojom je bela stigla. Ako to snimimo i okrenemo film u suprotnom smeru, videćemo crvenu kuglu kako dolazi i udara u belu koja stoji. Prikazivanje filma u oba smera izgledaće jednako uverljivo. Na sličan način u vremenu su reverzibilni svi Njutnovi zakoni. Smer vremena u njima nije bitan, tako da jedinice vremena nikada nemaju predznak; u formule se ne uvršćuje negativno ili pozitivno vreme, već samo njegova apsolutna količina.

Termodinamička strela

No, u stvarnom svetu, osobito makrosvetu u kojem živimo, stvari ne funkcionišu kao u idealizovanim fizičkim modelima. Smer vremena uvek prije ili kasnije postaje očit. Primerice, ako pustite loptu da padne i da se odbija od tla, ona će odskakivati sve niže i niže i vremenom se potpuno smiriti na tlu. Zašto?

Zato što postoji jedan ključni izuzetak od fizičkih zakona zaslužan za našu percepciju postojanja smera vremena, a to je tzv. entropija koja proizlazi iz drugog zakona termodinamike. Entropija je veličina koja, statistički gledano, ima zadati vremenski smer. Davor Horvatić, teorijski fizičar s Fizičkog odseka PMF-a u Zagrebu, kaže da je pojam termodinamičke strele vremena uveo ser Artur Edington, slavni britanski naučnik, poznat po astronomskim opažanjima koja su potvrdila Opštu teoriju relativnosti Alberta Ajnštajna. „U fizici imamo više definicija strele vremena. Termodinamička strela vremena vezana je uz statistička svojstva mnoštva čestica, a kosmološka strela vremena uz širenje svemira. Druge definicije strele vremena vezane su uz dosta komplikovanije pojmove iz kvantne fizike i fizike elementarnih čestica, tumači Horvatić..

Šta su drugi zakon termodinamike i entropija? Šta to znači? Prema drugom zakonu termodinamike toplota vremenom prelazi s toplijeg tela na hladnije i tim procesom se raspršuje, tako da u zatvorenim sistemima vremenom dolazi do izjednačavanja temperature svih tela. Primerice, ako u kantu s hladnom vodom stavimo zagrejani kamen, on će svoju toplotu širiti na vodu, a potom i na kantu. Proces prenosa energije prestaće kada se temperatura svih tela izjednači, tako da u sistemu više neće biti energije koja bi se mogla iskoristiti za obavljanje nekog rada. To je, takođe, ključni razlog zbog kojeg ne može postojati perpetuum mobile, mašina koja obavlja rad bez prestanka. U slučaju naše gore navedene lopte iz stvarnog sveta kinetička energija lopte koja poskakuje raspršiće se kroz trenje i druge procese u samu loptu, u vazduh i u tlo.

Sličnu tendenciju, kakvu ima energija, ima materija. Ona ima sklonost da od uređenog stanja prelazi u haotično, a ne obratno. Primerice, ako u neku zatvorenu posudu punu vazduha ubacimo neki gas, on neće ostati u uređenom oblaku u istom uglu u koji smo ga ubacili. Molekuli vazduha i gasa međusobno će se sudarati tako da će se ubačeni gas raširiti po posudi.

Primeri entropije

Navedimo još nekoliko svakodnevnih primera entropije iz života: 1) toplota koncentrirana u šoljici kade imaće sklonost da se rasprši po vazduhu i zidovima u sobi tako da će se na kraju temperatura sobe i šoljice izjednačiti, a naša kada će se ohladiti; 2) atomi ili molekuli parfema neće ostati na okupu, već će se sudarati s molekulima u vazduhu i vremenom raspršiti u prostoru oko nas, tako da će osobe u našoj blizini osetiti njegov miris; 3) jaje će grejanjem i mešanjem postati kajgana, međutim koliko god ga dalje mešali i hladili ili grejali, neće ponovo postati jaje na oko ili sirovo jaje.

Zajedničko za sve primere jeste da u svim sustemima imamo porast entropije, odnosno porast neuređenosti. Tu treba biti malo oprezan jer je entropija u fizici definisana rigoroznije. Primerice, smesa vode i ulja ima veću entropiju, odnosno neuređenost kada su slojevi vode i ulja razdvojeni jer je u sistemu manje iskoristive energije kada je teža voda dole, a lakše ulje gore (u bestežinskom stanju ne bi bilo tako). Svi sistemi imaju tendenciju da iz stanja maksimalne uređenosti prelaze u maksimalnu neuređenost. Sličan put sledi celi svemir – od maksimalne uređenosti koju predstavlja energija koncentrisana u jednoj tački na početku, kroz Veliki prasak i širenje u kojem se energija postupno izjednačava, svemir se kreće prema svojoj termodinamičkoj smrti u kojoj više neće biti tela koja bi mogla preneti svoju energiju drugim telima. Zašto sve teži neredu i smrti? Zašto se to zbiva?

Pojednostavljeno bismo mogli reći da je veća verovatnoća da će sistemi težiti haosu nego a uređenosti. Uzmimo primer neuvezane fascikle od 500 stranica. Ako je bacamo uvis, mnogo je veća verovatnoća da će se stranice raštrkati u redosledu nego da će se složiti prema brojevima stranica. Verovatnoća da se uzastopnim bacanjima stranice ponovno slože u pravilan redosled od 1 do 500 praktično je zanemarljiva. Ona iznosi 1/500!, gde je 500! oznaka za faktorijel od 500, što je broj koji se dobija množenjem niza 500 x 499 x 498 x 497 x 496 itd. Sve do 1, a što je broj svih mogućih načina na koje se stranice mogu poređati. Trebalo bi nam više listova beležnice da bismo upisali toliko brojki koliko je potrebno da izrazimo ovu malu verovatnoću u obliku broja 1/1000000000000…

To je posledica činjenice da stranice fascikla imaju mnoštvo mogućnosti da se slože na pogrešan način, u neuređenom redosledu, a tek jednu da se slože u početnom. Logično je, stoga, da će se sa svakim bacanjem stranica događati ono što je mnogo verovatnije – povećanje nereda. Neuređenost će sve više rasti dok ne postane tolika da moguća zamena stranica više neće menjati ukupno stanje nereda u sistemu – on će sa svakim narednim bacanjem ostajati praktično jednak. Što fascikla ima više stranica, odnosno što više elemenata ima sistem (molekula, atoma i sl.), to će težnja povećanju nereda biti izraženija. Kada bi fascikla imala samo dve stranice, one bi se mogle složiti u pravilan poredak već nakon nekoliko bacanja (u proseku sa svakim drugim).

Kada već govorimo o molekulima, uzmimo kao drugi primer u kojem u kantu s hladnom vodom ubacimo zagrejani kamen. Toplotna energija kamena ogleda se u titranju njegovih molekula. Kada oni dođu u dodir s molekulima vode, one će na njih prenositi svoju energiju tako što će se sudarati s njima i ubrzavati ih. Molekuli kamena postupno će gubiti svoju energiju, a molekuli vode dobijati. Kada se energija raširi po celom sistemu i izjednači, nastupiće stanje maksimalne entropije. Suprotno se uglavnom nikada neće dogoditi. Iskustvo nam pokazuje da se ne može dogoditi da kamen koji ubacimo u vodu usisa toplotu iz jednako tople vode da bi se on zagrejao, a voda ohladila.

Dakle, budući da svi sistemi u vremenu teže povećanju entropije, odnosno neuređenosti, a ne obratno, u svemiru opažamo da vreme ima smer. Kao što smo rekli na početku, očekujemo da će čaša koja pada sa stola rezultirati stanjem većeg nereda – razbijenom čašom i prolivenom vodom. Obratno je toliko malo verovatno da možemo očekivati da se neće dogoditi, barem ne za vreme trajanja svemira. Je li život izuzetak od entropije, a time i rezultat kreacije ili je rezultat entropije?

Postoje neki naizgledni izuzeci od ovakvog procesa kretanja svega od uređenosti prema haosu. Jedan od primera je nastanak živih organizama koji su svakako organizovaniji od sastavnih delova – molekula. Taj argument rado koriste kreacionisti koji smatraju da je uređenost živih organizama odstupanje od drugog zakona termodinamike, što bi trebalo podrazumevati da život nije mogao nastati sam od sebe, već isključivo uplivom Boga.

No, fizičar Džeremi Ingland sa MIT-ja tvrdi sasvim suprotno – da je entropija mogla biti podticaj za nastanak života, a ne prepreka. On naime smatra da su živi organizmi odlični raspršivači energije, što znači da svojim razvojem, a osobito replikacijom, pridonose povećanju entropije.

Živi organizmi, koji se temelje na ugljeniku, uspešniji su u hvatanju energije iz okoline i u njenom raspršivanju unaokolo nego nasumične skupine atoma ugljenika. Prema Inglandovoj tezi, predstavljenoj u časopisu Chemical Physics 2014. godine, skupine atoma koje pokreću spoljni izvori energije poput Sunca ili hemijskog goriva, okružene nekom kupkom poput okeana ili atmosfere, vrlo često će se postupno preraspoređivati na takav način da će apsorbovati i raspršivati više energije, čime će pogodovati entropiji.

On je ovu ideju testirao u sistemima koje snažno pokreću spoljni izvori energije poput sunčevih zraka, a nalaze se u okruženjima kupki u koje mogu apsorbovati i ispuštati toplotu. Naučnici smatraju da je život mogao nastati upravo u takvim sistemima. Inglandove studije pokazale su da će u takvim sistemima najveću verovatnoću za razvoj imati one formacije koje snažnije apsorbuju i snažnije raspršuju energiju. Pritom ističe da je razmnožavanje, temelj evolucije života, jedan od mehanizama kroz koje sistem može raspršivati sve više i više energije budući da stvara sve više i više raspršivača. Dakle, moglo bi se reći da je entropija zaslužna i za postojanje smera vremena i za postojanje života i smrti.

U svemiru pogodnom za život

Dalibor Horvatić kaže da je važna veličina koju vežemo uz entropiju – kompleksnost. Naime, dok svemir prolazi kroz stalno povećanje entropije, istovremeno prolazi različite faze kompleksnosti – od jednostavnog početka kuglice elementarnih čestica, preko složenih formacija galaksija, zvezda i planeta, do smrti u jednostavnoj kosmičkoj supi supermasivnih crnih rupa i zračenja.

„Čitaoci mogu uzeti jednostavan primer. U čašu vode kapnete kap mastila. Mastilo se širi kroz vodu u predivnim kompleksnim oblicima koji će nakon nekog vremena nestati i dobićete samo čašu plave vode. Kroz celi proces entropija se povećavala, ali kompleksnost je rasla, dosegla je svoj maksimum i počela padati. Mi se sada nalazimo u fazi razvoja svemira gde se kompleksnost povećava i zbog toga imamo svu raznolikost života koja nas okružuje. To će jednom, u dalekoj budućnosti, dosegnuti svoj maksimum i nakon toga idemo prema svemiru koji će biti sve nepogodniji za život, tumači Davor Horvatić.

(Izvor Indeks)

O autoru

Stanko

2 komentara

  • Mogu reći da ovakav pogled na svet (hipotetički nastanak univerzuma,razvoj i smrt ,kao i kompleksnost procesa)koristeći drugi termodinamički zakon i entropiju kao objašnjenje baš nasmejao.Ne sumnjivo je da termodinamički zakoni igraju veliku ulogu u raznim procesima u univerzumu ali predstaviti ih kao fundamentalne je znak primitivne razine znanja.Tendencija ka temperaturnom ekvilibrijumu sistema kao i uvećanje entropije usled uvećanja haosa ne definišu vreme kao i smer kretanja vremena.Danas postoje mnoge nepoznanice u nauci kao I njihovo pogrešno tumačenje.Jedno od njih dimenziono menjanje prostora koja se danas podvodi pod tamnom energijom.Na primer :Ako se nađemo na jednom uglu ulice I posmatramo okolinu šta ćemo zapaziti?Kod laika ništa naročito sve zgrade su na svoja mesta,vozila se kreću normalno kao I pešaci .Međutim to ne znači da se fizički prostor nije promenio.Usled rotacije zemlje oko svoje ose,usled kretanja planete oko sunca,usled kretanja sunca oko galaktičkog jezgra,itd,taj prostor nije isti I ako je okolina zadržala svoj međusoban geometrijski odnos.Najbitnije od svega je što se prostor dimenziono menja odnosno uvećava ,to znači da I ako neko telo u mirovanju zauzima određeni”prostor”on ipak nije isti u svakom trenutku I menja se.Samo uvećanje prostora je generisana promena pa mi to registrujemo kao vreme.Pošto se ovde spominjala filmska traka to isto možemo primeniti I u ovom slučaju.Ako posmatramo segment statičkog trodimenzionalnog prostora-freim,onda je taj prostor mrtav.Nema vremena ,nema energije,nema materije,nema ničega.Međutim ako se frejmovi naizmenično menjaju u ovom slučaju menja se sama dimenzija prostora(uvećava se) onda imamo promenu .Usled toga ta promena generiše vreme,generiše energiju a gde je energija tu je I materija.Znači vreme je u suštini iluzija I ne postoji prepreka u vidu strele vremena.Što se tiče samog života ja ne sporim Darvina ali mi je neverovatno da prva ćelija nastane sasvim slučajno.Takođe da ta ćelija svojim nastankom zna da treba da se razmnožava I kako to činiti.Neko je izračunao da mogućnost nastanka ćelije slučajno iznosi 1 na 10 na 600 sec.što daleko prevazilazi današnje shvatanje starosti univerzuma.Odnosno to je isto kao da se avion dzambodzet sam sastavio u svim detaljima slučajno,a I to je primitivno u odnosu na ćeliju.Imamo I drugi pristup.Ako bi se danas pojavili nanoboti u svetu u masi ljudi,niko ne bi razmišljao u smeru da su slučajno nastali nego da iza toga stoji neka od sila.Pa ako je ćelija neuporedivo kompleksnija kako onda može da se spominje slučajnost.Očigledno je da priroda osim postojećih”otkrivenih”zakona ima još dosta nepoznatih procesa koje današnji ljudi I ne slute da postoje.

  • Izvinjavam se na nezgrapnim i predugačkim rečenicama.Takođe ispravljam jednu grešku-treba da piše 1X10 na 600 sec.

Ostavite komentar