Četvrtak, 22.10.2020.

Zašto vrijeme ide samo u jednom smjeru, od prošlosti ka budućnosti?

Nedjelja, 18.10.2020. | Tehnologija | Novinar2

Jedno od pitanja koje ljudi postavljaju od kada postoje filozofija i nauka jeste zašto se vrijeme uvijek kreće samo u jednom smjeru od prošlosti preko sadašnjosti prema budućnosti, odnosno zašto vrijeme ima ireverzibilan smjer.

Putovanje kroz vrijeme uključuje logičke paradokse

Jedan od paradoksa putovanja kroz vrijeme je paradoks konzistencije ili paradoks djeda. On postaje relevantan kada se tokom putovanja u prošlost promijeni istorija. Recimo da čovjek otputuje u svoju prošlost i u njoj ubije svog djeda još za njegovog djetinjstva. U tom slučaju njegov djed ne bi mogao začeti njegove roditelje, pa ne bi bilo ni njega. A kako njega ne bi bilo, on ne bi mogao ni da putuje u prošlost ni ubije svog djeda.

U zakonima fizike vrijeme nema zadati smjer

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, prenosi Indeks.hr.

Iskustvo nas uči da nije moguće okrenuti film života unazad, a da to niko ne primijeti kao nešto pogrešno.

Ako neki filmski zapis iz svakodnevnog života vrtimo unazad, uglavnom je uvijek svima jasno da se zbiva nešto neprirodno. Na primjer, niko ne očekuje da bi čaša koja je sa stola pala na pod i razbila se mogla uzletjeti s poda na sto da bi se na njemu ponovno sastavila u izvornu cjelinu ispunjenu tekućinom. I djeca mogu prepoznati da u takvim filmskim prizorima nešto ne štima.

Ako s neke tačke na nekoj zgradi pustimo loptu da pada prema tlu i snimimo događaj, moći ćemo da ga vrtimo i naprijed i nazad, a da niko neće moći reći koji je smjer pravi – je li lopta ispuštena da pada dolje ili je ispucana da leti uvis. To je zato što je zakon gravitacije reverzibilan. Lopta koja pada ubrzava istom akceleracijom koja zavisi o vremenu, baš kao što lopta ispucana uvis postupno usporava.

Isto je i sa bilijarskim kuglama. Ako bijela kugla juri prema crvenoj koja mirno stoji na bilijarskom stolu i pogodi je u sredinu, bijela će se zaustaviti, a crvena nastaviti istom brzinom kojom je bijela stigla. Ako to snimimo i okrenemo film u suprotnom smjeru, vidjćemo crvenu kuglu kako dolazi i udara u bijelu koja stoji. Projekcija filma u oba smjera izgledaće jednako uvjerljivo. Na sličan način u vremenu su reverzibilni svi Njutonovi zakoni. Smjer vremena u njima nije bitan tako da jedinice vremena nikada nemaju predznak; u formule se ne uvrštava negativno ili pozitivno vrijeme, već samo njegova apsolutna količina.

Uvođenje termodinamičke strijele vremena

Ali, u stvarnom svijetu stvari ne funkcionišu kao u idealnim fizičkim modelima. Smjer vremena uvijek prije ili kasnije postaje očit. 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? Postoji jedna ključna razlika u odnosu na zakone fizike koja je zaslužna za našu percepciju postojanja smjera vremena, a to je tzv. entropija koja proizlazi iz drugog zakona termodinamike. Entropija je veličina koja, statistički gledano, ima zadat vremenski smjer.

Šta su drugi zakon termodinamike i entropija?

Prema drugom zakonu termodinamike toplina vremenom prelazi s toplijeg tijela na hladnije i tim procesom se raspršuje, tako da u zatvorenim sistemima vremenom dolazi do izjednačavanja temperature svih tijela.

Ako u kantu s hladnom vodom stavimo zagrijani kamen, on će svoju toplinu širiti na vodu, a potom i na kantu. Proces prenosa energije staće kada se temperatura svih tijela 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 koji obavlja rad bez prestanka.

U slučaju gorenavedene lopte iz stvarnog svijeta kinetička energija lopte koja poskakuje raspršiće se kroz trenje i druge procese u samu loptu, u vazduh i u tlo.

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

Navedimo još nekoliko svakodnevnih primjera entropije iz života: 1) toplina koncentrisana u šoljici kafe imaće sklonost da se rasprši po vazduhu i zidovima u sobi tako da će se na kraju temperatura sobe i šoljice izjednačiti, a naša kafa će se ohladiti; 2) atomi ili molekuli parfema neće ostati na okupu, već će se sudarati s molekulima u vazduhu i s vremenom raspršiti u prostoru oko nas, tako da će osobe u našoj blizini osjetiti njegov miris.

Zajedničko za sve primjere je da imamo porast entropije, odnosno porast neuređenosti. Tu treba biti oprezan jer je entropija u fizici definisana rigoroznije. Na primjer, smjesa vode i ulja ima veću entropiju, odnosno neuređenost kada su slojevi vode i ulja razdvojeni jer je u sastavu manje iskoristive energije kada je teža voda dolje, a lakše ulje gore (u bestežinskom stanju ne bi bilo tako). Svi sastavi imaju tendenciju da iz stanja maksimalne uređenosti prelaze u maksimalnu neuređenost. Sličan put slijedi i 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 tijela koja bi mogla prenijeti svoju energiju drugim tijelima.

Zašto sve teži neredu i smrti?

Pojednostavljeno bismo mogli reći da je puno veća vjerovatnost da neki sistem teži prema haosu nego prema uređenosti. Uzmimo primjer neuvezanu fasciklu od 500 stranica. Ako ih bacamo u vazduh, mnogo je veća vjerovatnost da će se stranice raštrkati nego da će se posložiti prema brojevima stranica. Vjerovatnost da se uzastopnim bacanjima stranice ponovno poslože u pravilan redoslijed praktično je zanemariva. To je posljedica činjenice da stranice fascikla imaju mnoštvo mogućnosti da se poslože na pogrešan način, u neuređenom redoslijedu, a tek jedan da se poslože u početnom. Logično je stoga da će se sa svakim bacanjem stranica događati ono što je mnogo vjerovatnije – povećanje nereda. Neuređenost će stoga sve više rasti dok ne postane tolika da moguća zamjena stranica više neće menjati ukupno stanje nereda u sistemu – on će sa svakim narednim bacanjem ostajati praktički jednak. Što fascikla ima više stranica, odnosno što više elemenata ima sastav (molekula, atoma i sl.), to će težnja povećanju nereda biti izraženija. Kada bi fascikla imala samo dvije stranice, one bi se mogle posložiti u pravilan poredak već nakon nekoliko bacanja (u prosjeku sa svakim drugim).

Dakle, budući da svi sistemi u vremenu teže povećanju entropije, odnosno neuređenosti, a ne obratno, u svemiru opažamo da vrijeme ima smjer. 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 vjerovatno da možemo očekivati da se neće dogoditi, barem ne za trajanja svemira.

Je li život izuzetak od entropije, a time i rezultat kreacije ili je rezultat entropije?

Postoje neki izuzeci od ovakvog procesa kretanja svega od uređenosti prema haosu. Jedan od primjera je nastanak živih organizama koji su svakako organizovaniji od sastavnih dijelova – molekula.

Taj argument rado koriste kreacionisti koji smatraju da je uređenost živih organizama odstupanje od drugog zakona termodinamike, što bi trebalo da znači da život nije mogao nastati sam od sebe, već isključivo uplivom Boga.

Ali, fizičar Džeremi England s MIT-ja smatra sasvim suprotno – da je entropija mogla biti podsticaj za nastanak života, a ne prepreka. On smatra da su živi organizmi odlični raspršivači energije, što znači da svojim razvojem, a naročito replikacijom, doprinose povećanju entropije. Živi organizmi, koji se temelje na ugljeniku, uspješniji su u hvatanju energije iz okoline i u raspršivanju unaokolo nego nasumične skupine atoma ugljenika. Prema Englandovoj tezi, predstavljenoj u časopisu Hemikal fiziks 2014. godine, skupine atoma koje pokreću spoljni izvori energije poput Sunca ili hemijskog goriva, okružene okeanom ili atmosferom, vrlo često će se postupno preraspoređivati na takav način da će apsorbovati i raspršivati više energije, čime će pogodovati entropiji.

England je ovu ideju testirao u sistemima koje snažno pokreću spoljašnji izvori energije poput sunčevih zraka, a nalaze se u okruženjima u koje mogu apsorbovatii i ispuštati toplotu. Naučnici smatraju da je život mogao nastati upravo u takvim sistemima.

Englandove studije pokazale su da će u takvim sistemima najveću vjerovatnost 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 energije, budući da stvara sve više i više raspršivača.

Dakle, moglo bi se reći da je entropija zaslužna i za postojanje smjera vremena i za postojanje života i smrti.

Tagovi: Sat vrijeme