ЈЕДНОСМЕРНО ВРЕМЕ

Зашто време иде само у једном смеру, од прошлости према будућности? Зато што постоји један кључни изузетак од физичких закона заслужан за нашу перцепцију постојања смера времена, а то је тзв. ентропија која произлази из другог закона термодинамике. Ентропија је величина која, статистички гледано, има задати временски смер.

Једно од питања које људи постављају од када постоје филозофија и наука јесте зашто се време увек креће само у једном смеру – од прошлости преко садашњости према будућности, односно зашто вријеме има иреверзибилан смер. Ово питање актуелизовао је недавно објављен рад двојице физичара Џермејна Тобара и Фабија Косте, према којем је уклоњена барем једна запрека за путовање кроз време, а то су уобичајени логички парадокси који иду уз њега.

Један од парадокса путовања кроз време јесте парадокс конзистенције или парадокс деде. Он постаје релевантан када се током путовања у прошлост промени повест. Рецимо да човек отпутује у своју прошлост и у њој убије свог деду још за његовог детињства. У том случају његов деда не би могао зачети његове родитеље па не би било ни њега. А како њега не би било, он не би могао ни путовати у прошлост ни убити свог деду. Но у овом тексту нећемо се бавити путовањем кроз време, ни парадоксима повезаним с њим, већ темељним питањем зашто стрелица времена увек има исти смер.

Нема задати смер

Психолошки ми прошлост јасно препознајемо као нешто што је иза нас и што је познато, а будућност као нешто што је пред нама и непознато је. Искуство нас учи да није могуће окренути филм живота уназад, а да то нико не примети као нешто погрешно. Ако неки филмски запис из свакодневног живота вртимо уназад, углавном је увек свима јасно да се збива нешто неприродно. Примерице, нико не очекује да би чаша која је са стола пала на под и разбила се могла узлетети натраг с пода на сто и на њему се поново саставила у изворну целину испуњену телношћу. Већ и деца могу препознати да у таквим филмским призорима нешто не штима.

Но с друге стране, када се гледају темељни закони физике, попут закона механике, време заправо нема задати смер. То особито вреди на микроскопској равни, на равни атома и молекула. На макроскопској вреди само у идеалним условима, односно у идеалним физичким моделима.

Но узмимо ипак привремено као илустрацију пример из макросвета. Ако с неке тачке на некој згради пустимо лопту да пада према тлу и снимимо догађај, моћи ћемо га вртети и напред и назад, а да нико неће моћи рећи који је смер прави – је ли лопта испуштена да пада према доле или је испуцана да лети увис. То је зато што је закон гравитације реверзибилан. Лопта која пада убрзава истом акцелерацијом која зависи од времена, баш као што лопта испуцана увис поступно успорава.

Исто вреди и за судар билијарских кугли. Ако бела кугла јури према црвеној која мирно стоји на билијарском столу и погоди је у средину, бела ће се зауставити, а црвена наставити кретати истом брзином којом је бела стигла. Ако то снимимо и окренемо филм у супротном смеру, видећемо црвену куглу како долази и удара у белу која стоји. Приказивање филма у оба смера изгледаће једнако уверљиво. На сличан начин у времену су реверзибилни сви Њутнови закони. Смер времена у њима није битан, тако да јединице времена никада немају предзнак; у формуле се не увршћује негативно или позитивно време, већ само његова апсолутна количина.

Термодинамичка стрела

Но, у стварном свету, особито макросвету у којем живимо, ствари не функционишу као у идеализованим физичким моделима. Смер времена увек прије или касније постаје очит. Примерице, ако пустите лопту да падне и да се одбија од тла, она ће одскакивати све ниже и ниже и временом се потпуно смирити на тлу. Зашто?

Зато што постоји један кључни изузетак од физичких закона заслужан за нашу перцепцију постојања смера времена, а то је тзв. ентропија која произлази из другог закона термодинамике. Ентропија је величина која, статистички гледано, има задати временски смер. Давор Хорватић, теоријски физичар с Физичког одсека ПМФ-а у Загребу, каже да је појам термодинамичке стреле времена увео сер Артур Едингтон, славни британски научник, познат по астрономским опажањима која су потврдила Општу теорију релативности Алберта Ајнштајна. „У физици имамо више дефиниција стреле времена. Термодинамичка стрела времена везана је уз статистичка својства мноштва честица, а космолошка стрела времена уз ширење свемира. Друге дефиниције стреле времена везане су уз доста компликованије појмове из квантне физике и физике елементарних честица”, тумачи Хорватић..

Шта су други закон термодинамике и ентропија? Шта то значи? Према другом закону термодинамике топлота временом прелази с топлијег тела на хладније и тим процесом се распршује, тако да у затвореним системима временом долази до изједначавања температуре свих тела. Примерице, ако у канту с хладном водом ставимо загрејани камен, он ће своју топлоту ширити на воду, а потом и на канту. Процес преноса енергије престаће када се температура свих тела изједначи, тако да у систему више неће бити енергије која би се могла искористити за обављање неког рада. То је, такође, кључни разлог због којег не може постојати perpetuum mobile, машина која обавља рад без престанка. У случају наше горе наведене лопте из стварног света кинетичка енергија лопте која поскакује распршиће се кроз трење и друге процесе у саму лопту, у ваздух и у тло.

Сличну тенденцију, какву има енергија, има материја. Она има склоност да од уређеног стања прелази у хаотично, а не обратно. Примерице, ако у неку затворену посуду пуну ваздуха убацимо неки гас, он неће остати у уређеном облаку у истом углу у који смо га убацили. Молекули ваздуха и гаса међусобно ће се сударати тако да ће се убачени гас раширити по посуди.

Примери ентропије

Наведимо још неколико свакодневних примера ентропије из живота: 1) топлота концентрирана у шољици каде имаће склоност да се распрши по ваздуху и зидовима у соби тако да ће се на крају температура собе и шољице изједначити, а наша када ће се охладити; 2) атоми или молекули парфема неће остати на окупу, већ ће се сударати с молекулима у ваздуху и временом распршити у простору око нас, тако да ће особе у нашој близини осетити његов мирис; 3) јаје ће грејањем и мешањем постати кајгана, међутим колико год га даље мешали и хладили или грејали, неће поново постати јаје на око или сирово јаје.

Заједничко за све примере јесте да у свим сустемима имамо пораст ентропије, односно пораст неуређености. Ту треба бити мало опрезан јер је ентропија у физици дефинисана ригорозније. Примерице, смеса воде и уља има већу ентропију, односно неуређеност када су слојеви воде и уља раздвојени јер је у систему мање искористиве енергије када је тежа вода доле, а лакше уље горе (у бестежинском стању не би било тако). Сви системи имају тенденцију да из стања максималне уређености прелазе у максималну неуређеност. Сличан пут следи цели свемир – од максималне уређености коју представља енергија концентрисана у једној тачки на почетку, кроз „Велики прасак” и ширење у којем се енергија поступно изједначава, свемир се креће према својој термодинамичкој смрти у којој више неће бити тела која би могла пренети своју енергију другим телима. Зашто све тежи нереду и смрти? Зашто се то збива?

Поједностављено бисмо могли рећи да је већа вероватноћа да ће системи тежити хаосу него а уређености. Узмимо пример неувезане фасцикле од 500 страница. Ако је бацамо увис, много је већа вероватноћа да ће се странице раштркати у редоследу него да ће се сложити према бројевима страница. Вероватноћа да се узастопним бацањима странице поновно сложе у правилан редослед од 1 до 500 практично је занемарљива. Она износи 1/500!, где је 500! ознака за факторијел од 500, што је број који се добија множењем низа 500 x 499 x 498 x 497 x 496 итд. Све до 1, а што је број свих могућих начина на које се странице могу поређати. Требало би нам више листова бележнице да бисмо уписали толико бројки колико је потребно да изразимо ову малу вероватноћу у облику броја 1/1000000000000…

То је последица чињенице да странице фасцикла имају мноштво могућности да се сложе на погрешан начин, у неуређеном редоследу, а тек једну да се сложе у почетном. Логично је, стога, да ће се са сваким бацањем страница догађати оно што је много вероватније – повећање нереда. Неуређеност ће све више расти док не постане толика да могућа замена страница више неће мењати укупно стање нереда у систему – он ће са сваким наредним бацањем остајати практично једнак. Што фасцикла има више страница, односно што више елемената има систем (молекула, атома и сл.), то ће тежња повећању нереда бити израженија. Kада би фасцикла имала само две странице, оне би се могле сложити у правилан поредак већ након неколико бацања (у просеку са сваким другим).

Kада већ говоримо о молекулима, узмимо као други пример у којем у канту с хладном водом убацимо загрејани камен. Топлотна енергија камена огледа се у титрању његових молекула. Kада они дођу у додир с молекулима воде, оне ће на њих преносити своју енергију тако што ће се сударати с њима и убрзавати их. Молекули камена поступно ће губити своју енергију, а молекули воде добијати. Kада се енергија рашири по целом систему и изједначи, наступиће стање максималне ентропије. Супротно се углавном никада неће догодити. Искуство нам показује да се не може догодити да камен који убацимо у воду усиса топлоту из једнако топле воде да би се он загрејао, а вода охладила.

Дакле, будући да сви системи у времену теже повећању ентропије, односно неуређености, а не обратно, у свемиру опажамо да време има смер. Kао што смо рекли на почетку, очекујемо да ће чаша која пада са стола резултирати стањем већег нереда – разбијеном чашом и проливеном водом. Обратно је толико мало вероватно да можемо очекивати да се неће догодити, барем не за време трајања свемира. Је ли живот изузетак од ентропије, а тиме и резултат креације или је резултат ентропије?

Постоје неки наизгледни изузеци од оваквог процеса кретања свега од уређености према хаосу. Један од примера је настанак живих организама који су свакако организованији од саставних делова – молекула. Тај аргумент радо користе креационисти који сматрају да је уређеност живих организама одступање од другог закона термодинамике, што би требало подразумевати да живот није могао настати сам од себе, већ искључиво упливом Бога.

Но, физичар Џереми Ингланд са МИТ-ја тврди сасвим супротно – да је ентропија могла бити подтицај за настанак живота, а не препрека. Он наиме сматра да су живи организми одлични распршивачи енергије, што значи да својим развојем, а особито репликацијом, придоносе повећању ентропије.

Живи организми, који се темеље на угљенику, успешнији су у хватању енергије из околине и у њеном распршивању унаоколо него насумичне скупине атома угљеника. Према Ингландовој тези, представљеној у часопису Chemical Physics 2014. године, скупине атома које покрећу спољни извори енергије попут Сунца или хемијског горива, окружене неком купком попут океана или атмосфере, врло често ће се поступно прераспоређивати на такав начин да ће апсорбовати и распршивати више енергије, чиме ће погодовати ентропији.

Он је ову идеју тестирао у системима које снажно покрећу спољни извори енергије попут сунчевих зрака, а налазе се у окружењима купки у које могу апсорбовати и испуштати топлоту. Научници сматрају да је живот могао настати управо у таквим системима. Ингландове студије показале су да ће у таквим системима највећу вероватноћу за развој имати оне формације које снажније апсорбују и снажније распршују енергију. Притом истиче да је размножавање, темељ еволуције живота, један од механизама кроз које систем може распршивати све више и више енергије будући да ствара све више и више распршивача. Дакле, могло би се рећи да је ентропија заслужна и за постојање смера времена и за постојање живота и смрти.

У свемиру погодном за живот

Далибор Хорватић каже да је важна величина коју вежемо уз ентропију – комплексност. Наиме, док свемир пролази кроз стално повећање ентропије, истовремено пролази различите фазе комплексности – од једноставног почетка куглице елементарних честица, преко сложених формација галаксија, звезда и планета, до смрти у једноставној космичкој супи супермасивних „црних рупа” и зрачења.

„Читаоци могу узети једноставан пример. У чашу воде капнете кап мастила. Мастило се шири кроз воду у предивним комплексним облицима који ће након неког времена нестати и добићете само чашу плаве воде. Kроз цели процес ентропија се повећавала, али комплексност је расла, досегла је свој максимум и почела падати. Ми се сада налазимо у фази развоја свемира где се комплексност повећава и због тога имамо сву разноликост живота која нас окружује. То ће једном, у далекој будућности, досегнути свој максимум и након тога идемо према свемиру који ће бити све непогоднији за живот”, тумачи Давор Хорватић.

(Извор Индекс)