Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος και το βέλος του χρόνου(Μέρος 2)

Το βέλος του χρόνου

Στις φυσικές επιστήμες, το βέλος του χρόνου είναι ένας όρος που πλάστηκε το 1927 από το βρετανό αστρονόμο Arthur Eddington, που τον χρησιμοποίησε για να διακρίνει μια κατεύθυνση του χρόνου σε έναν τετραδιάστατο σχετικιστικό χάρτη του σύμπαντος. Σύμφωνα δε με τον Eddington, το βέλος του χρόνου μπορεί να οριστεί μελετώντας την οργάνωση των ατόμων, των μορίων, και των οργανισμών.

Οι φυσικές διαδικασίες σε μικροσκοπικό επίπεδο θεωρούνται είτε εντελώς είτε συνήθως συμμετρικές ως προς τον χρόνο, που σημαίνει ότι οι θεωρητικές δηλώσεις που τα περιγράφουν παραμένουν αληθινές ακόμα κι αν η κατεύθυνση του χρόνου αντιστρέφεται.

Θα μπορούσε ασφαλώς να αναρωτηθεί κανείς, γιατί είναι τόσο σημαντική η ιδέα του βέλους του χρόνου; Δεν έχουμε όλοι συνείδηση της μη αναστρέψιμης ροής του χρόνου, όπου το παρελθόν είναι δεδομένο και το μέλλον ανοιχτό; Η

Η απάντηση είναι η εξής: Παρά το γεγονός ότι όλοι γνωρίζουμε από την εμπειρία μας πως στις φυσικές διαδικασίες ο χρόνος ακολουθεί μία μόνο κατεύθυνση, από το παρελθόν προς το μέλλον, εν τούτοις κατά τους τελευταίους τρεις αιώνες, κυρίως στη Νευτώνεια Μηχανική, δεν αποκλείστηκε η ιδέα της αναστρεψιμότητας του χρόνου. Με την κυριαρχία της Νευτώνειας Μηχανικής το σύνολο του φυσικού κόσμου αντιμετωπίστηκε σαν μια τεράστια μηχανή, όπου κυριαρχεί ο ντετερμινισμός και όπου ο κόσμος είναι συμμετρικός ως προς τον χρόνο.

Σε ένα τέτοιο μοντέλο η περιγραφή του κόσμου καταλήγει σε μια ταυτολογία, εφόσον τόσο το μέλλον όσο και το παρελθόν εμπεριέχονται στο παρόν!

Με άλλα λόγια, αφού ξέρουμε τι συνέβη κατά το παρελθόν το ίδιο θα ισχύει και στο μέλλον. Άρα το βιβλίο της ιστορίας του Σύμπαντος είναι ήδη γραμμένο και δεν υπάρχει περιθώριο για το καινοφανές, το απρόβλεπτο και το γίγνεσθαι μέσα στη φύση.

Όταν όμως περιγράφουμε τα πράγματα στο μακροσκοπικό επίπεδο συχνά φαίνεται ότι αυτό δεν ισχύει: εκεί υπάρχει μια προφανής κατεύθυνση ή ροή του χρόνου. Ένα βέλος του χρόνου είναι οτιδήποτε που παρουσιάζει μια τέτοια χρονική μη συμμετρία.

Ιστορία του όρου

Στο βιβλίο του The Nature of the Physical World ο Eddington, που δημοσιεύτηκε το 1928, γράφει τα εξής:

“

Σχεδιάστε ένα βέλος αυθαίρετα. Εάν καθώς ακολουθούμε τη φορά του βέλους βρίσκουμε ολοένα και περισσότερα τυχαία στοιχεία στην κατάσταση του σύμπαντος, τότε το βέλος δείχνει προς το μέλλον, εάν τα τυχαία στοιχεία μειώνονται το βέλος δείχνει προς το παρελθόν. Αυτή είναι η μόνη διάκριση που είναι γνωστή στη φυσική. ... Θα χρησιμοποιήσω τη φράση "Το βέλος του χρόνου" για να εκφράσω αυτήν τη μονόδρομη ιδιότητα του χρόνου που δεν έχει κανένα ανάλογο στο διάστημα.

”

Έπειτα ο Eddington σημειώνει τρία πράγματα για αυτό το βέλος:

• Αναγνωρίζεται έντονα από τη συνείδηση

• Αυτό ισοδυναμεί εξίσου με τη λογική ικανότητά μας, που μας λέει ότι μια αντιστροφή του βέλους θα έκανε τον εξωτερικό κόσμο μη αισθητό

• Δεν κάνει καμία εμφάνιση στη φυσική επιστήμη εκτός από τη μελέτη της οργάνωσης διάφορων ατόμων

Εδώ, σύμφωνα με Eddington, το βέλος δείχνει την κατεύθυνση της προοδευτικής αύξησης του τυχαίου στοιχείου. Μετά ο Eddington καταλήγει στο συμπέρασμα ότι το βέλος του χρόνου είναι μια ιδιότητα μόνο της εντροπίας.

Τα διάφορα βέλη του χρόνου

1. Το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου

Το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου προβλέπεται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, που λέει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα η εντροπία αυξάνεται μόνο με το χρόνο, αυτή δεν θα μειωθεί με το χρόνο. Η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί ως μέτρο της αταξίας ή της αναταραχής, κατά συνέπεια ο δεύτερος νόμος υπονοεί ότι ο χρόνος είναι ασυμμετρικός όσον αφορά την ποσότητα της τάξης σε ένα απομονωμένο σύστημα: δηλαδή καθώς ο χρόνος αυξάνεται, ένα σύστημα θα αποκτάει περισσότερη αταξία. Αυτή η ασυμμετρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί εμπειρικά για να διακρίνουμε μεταξύ του μέλλοντος και του παρελθόντος.

Δεδομένου ότι ο δεύτερος νόμος έχει στατιστική φύση, δεν έχει ακριβή καθολικότητα. Αυτό σημαίνει ότι κάθε σύστημα μπορεί να πάει σε μια κατάσταση χαμηλότερης εντροπίας. Εντούτοις, ο δεύτερος νόμος φαίνεται να περιγράφει ακριβώς τη γενική τάση στα πραγματικά συστήματα προς την υψηλότερη εντροπία.

Αυτό το βέλος του χρόνου φαίνεται να σχετίζεται με όλα τα άλλα βέλη του χρόνου και κρύβεται πίσω από αυτά, με εξαίρεση το ασθενές βέλος του χρόνου.

2. Το κοσμολογικό βέλος του χρόνου

Το κοσμολογικό βέλος του χρόνου δείχνει προς την κατεύθυνση της διαστολής του σύμπαντος. Μπορεί να συνδεθεί με το θερμοδυναμικό βέλος, αν σκεφτούμε ότι το σύμπαν οδηγείται προς ένα θερμικό θάνατο (Μεγάλη Ψύξη), καθώς το ποσό της ωφέλιμης ενέργειας γίνεται ολοένα και πιο αμελητέο. Όμως καθώς θα προχωράει η εξέλιξη του σύμπαντος (δείτε το κυκλικό ή αέναο σύμπαν) αυτό το βέλος θα αντιστρέφεται, καθώς η βαρύτητα θα έλκει όλο το σύμπαν προς τα πίσω, σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη.

Εάν το κοσμολογικό βέλος του χρόνου συσχετίζεται με τα άλλα βέλη του χρόνου, τότε το μέλλον είναι εξ ορισμού η κατεύθυνση προς την οποία ο Κόσμος γίνεται μεγαλύτερος. Κατά συνέπεια, ο Κόσμος διαστέλλεται - αντί να συστέλλεται - εξ ορισμού.

Το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι πιθανά μια συνέπεια των αρχικών συνθηκών στον πρώιμο Κόσμο. Επομένως προκύπτουν τελικά από την κοσμολογική οργάνωση.

3. Το βέλος του χρόνου της ακτινοβολίας

Τα ραδιοκύματα έως τα ηχητικά κύματα και έως αυτά που δημιουργούνται σε μια λίμνη από την ρίψη μιας πέτρας, πάντα ταξιδεύουν προς τα έξω (μακριά από την πηγή), έστω κι αν οι εξισώσεις των κυμάτων επιτρέπουν λύσεις με κύματα που να συγκλίνουν.

Αυτό όμως το βέλος έχει αντιστραφεί σε κάποια προσεκτικά πειράματα, που έχουν δημιουργήσει συγκλίνοντα κύματα. Και βέβαια οι συνθήκες για την παραγωγή ενός συγκλίνοντος κύματος απαιτούν περισσότερη τάξη από τις συνθήκες για ένα κύμα που ακτινοβολεί.

Βάζοντας το διαφορετικά, η πιθανότητα για αρχικές συνθήκες που να παράγουν ένα συγκλίνον κύμα είναι πολύ μικρότερη από την πιθανότητα για αρχικές συνθήκες που παράγουν ένα κύμα που εξαπλώνεται (ακτινοβολεί) στον χώρο.

Στην πραγματικότητα, κανονικά ένα κύμα που ακτινοβολεί αυξάνει την εντροπία, ενώ ένα συγκλίνον κύμα την μειώνει, κάνοντας το τελευταίο αντιφατικό με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής στις συνηθισμένες περιστάσεις.

4. Το αιτιώδες βέλος του χρόνου

Οι αιτίες θεωρούνται συνήθως πως προηγούνται των αποτελεσμάτων. Το μέλλον μπορεί να ελεγχθεί, αλλά όχι το παρελθόν.

Ένα πρόβλημα με τη χρησιμοποίηση της αιτιότητας ως βέλος του χρόνου είναι ότι, όπως επισήμανε ο David Hume, η αιτιώδης σχέση δεν μπορεί αυτή καθ' εαυτή να γίνει αντιληπτή, κάποιος αντιλαμβάνεται μόνο τις ακολουθίες των γεγονότων. Επιπλέον είναι εκπληκτικά δύσκολο να δοθεί μια σαφής εξήγηση τι σημαίνουν πραγματικά οι όροι "αιτία" και "αποτέλεσμα". Είναι φανερό ότι η ρίψη του πιάτου είναι η αιτία, η καταστροφή του πιάτου είναι το αποτέλεσμα.

Μιλώντας φυσικά, αυτό είναι μια άλλη εκδήλωση του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου, και είναι μια συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ελέγχοντας το μέλλον, ή αναγκάζοντας κάτι να συμβεί, δημιουργεί συσχετισμούς μεταξύ του αιτίου και του αποτελέσματος, και αυτά μπορούν να δημιουργηθούν μόνο καθώς κινούμαστε μπροστά στον χρόνο, όχι προς τα πίσω.

5. Το βέλος του χρόνου της σωματιδιακής φυσικής (ασθενές βέλος του χρόνου)

Ορισμένες υποατομικές αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν τη διατήρηση και της ομοτιμίας (parity) και του φορτίου, αλλά πολύ σπάνια. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η διάσπαση του καονίου.

Σύμφωνα με το θεώρημα CPT, η διατήρηση της ομοτιμίας και του φορτίου συνοδεύεται επίσης και με την διατήρηση ως προς τον χρόνο, και έτσι καθιερώνουν ένα βέλος του χρόνου στη σωματιδιακή φυσική. Ας τονίσουμε όέτοιες διαδικασίες πρέπει να είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία ύλης στον πρώιμο Κόσμο.

Το βέλος του χρόνου της σωματιδιακής φυσικής δεν συνδέεται με κανένα άλλο βέλος, και εάν αυτό θα έδειχνε την αντίθετη χρονική φορά, η μόνη διαφορά θα ήταν ότι ο Κόσμος μας θα φτιαχνόταν με αντιύλη παρά με την κανονική ύλη. Ακριβέστερα, στην θέση της ύλης θα ήταν η αντι-ύλη και το αντίστροφο.

Ότι ο συνδυασμός της ομοτιμίας και του φορτίου πολύ σπάνια δεν ισχύει, σημαίνει ότι αυτό το βέλος "σπανίως" μόνο δείχνει σε μια κατεύθυνση, θέτοντας το έξω από τα άλλα βέλη, η κατεύθυνση των οποίων είναι πιο προφανής. Γι αυτό και λέγεται ασθενές βέλος του χρόνου, (επειδή δεν ισχύει πάντα).

Σημείωση: Στο χώρο των σωματιδίων, υπάρχουν τρεις κύριες συμμετρίες. Ο κατοπτρισμός ως προς τον χρόνο T (Τime Reversal), ο κατοπτρισμός ως προς το χώρο (Space Inversion), που λέγεται ομοτιμία P (Parity) και τέλος ο κατοπτρισμός ως προς το φορτίο C (Charge Conjugation). Και οι τρεις συμμετρίες λέγονται με μία λέξη CPT.

6. Το κβαντικό βέλος του χρόνου

Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης της κβαντομηχανικής, η κβαντική εξέλιξη ελέγχεται από την εξίσωση του Schrödinger, που είναι συμμετρική ως προς τον χρόνο, και από την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, η οποία είναι χρονικά μη αντιστρεπτή. Δεδομένου ότι ο μηχανισμός της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης είναι φιλοσοφικά σκοτεινός, δεν είναι απολύτως σαφές πώς συνδέεται αυτό το βέλος με άλλα. Ενώ στο μικροσκοπικό επίπεδο, η κατάρρευση φαίνεται να μην δείχνει καμία προτίμηση προς την αύξηση ή την μείωση της εντροπίας, μερικοί θεωρούν ότι υπάρχει μια προκατάληψη που παρουσιάζεται στις μακροσκοπικές κλίμακες σαν το θερμοδυναμικό βέλος. Σύμφωνα με τη σύγχρονη φυσική άποψη της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης, η θεωρία της κβαντικής αποσυνοχής, το κβαντικό βέλος του χρόνου είναι μια συνέπεια του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου.

6. Το ψυχολογικό ή το αντιληπτό βέλος του χρόνου

Ο ψυχολογικός χρόνος είναι, εν μέρει, η καταχώρηση των ολοένα και περισσότερων στοιχείων της μνήμης από τις συνεχείς αλλαγές στην αντίληψη. Με άλλα λόγια, τα πράγματα που θυμόμαστε αποτελούν το παρελθόν, ενώ το μέλλον αποτελείται από εκείνα τα γεγονότα που δεν μπορούν να αναφερθούν. Η αρχαία μέθοδος να συγκρίνουμε μοναδικά γεγονότα (πχ η γέννηση ενός παιδιού) με γενικευμένα επαναλαμβανόμενα γεγονότα, όπως είναι η φαινόμενη μετακίνηση του ήλιου, του φεγγαριού, και των άστρων, προσέφερε ένα κατάλληλο πλέγμα εργασίας για να γίνεται αυτή η σύγκριση. Η συνεπής αύξηση στον όγκο της μνήμης δημιουργεί ένα διανοητικό βέλος του χρόνου.

Το ψυχολογικό βέλος κινείται πάντα από το γνωστό (παρελθόν) προς το άγνωστο (το μέλλον). Οι επιθυμίες, τα όνειρα, και οι ελπίδες, φαίνονται για τον παρατηρητή να βρίσκονται στο μέλλον.

Η άλλη πλευρά της ψυχολογικής μετάβασης του χρόνου είναι στη σφαίρα της επιθυμίας και της δράσης. Προγραμματίζουμε και εκτελούμε συχνά ενέργειες που θα έχουν επιπτώσεις στο μέλλον. Δύσκολα κάποιος προσπαθεί να αλλάξει τα παρελθόντα γεγονότα.

Το ψυχολογικό βέλος του χρόνου είναι πιθανά αναγώγιμο στο θερμοδυναμικό βέλος: έχει βαθιές συνδέσεις με το δαίμονα του Maxwell και τη φυσική των πληροφοριών. Στην πραγματικότητα, είναι εύκολο να καταλάβουμε τη σύνδεσή του με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής εάν δούμε τη μνήμη ως ένα συσχετισμό μεταξύ των κυττάρων του εγκεφάλου και του εξωτερικού κόσμου. Επειδή ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ισοδύναμος με την αύξηση με το πέρασμα του χρόνου τέτοιων συσχετισμών, αυτό δηλώνει ότι θα δημιουργηθεί μνήμη καθώς κινούμαστε προς το μέλλον (κι όχι προς το παρελθόν).