Το βέλος του χρόνου
(<<< βλέπε αρχική δημοσίευση)
«Το πραγματικά παράξενο είναι ότι οι νόμοι της Φυσικής, οι οποίοι οπωσδήποτε θα πρέπει να είναι υπεύθυνοι γι’ αυτό που βλέπουμε στον κόσμο, μπορούν να λειτουργήσουν εξίσου καλά τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω στον χρόνο» λέει ο Ντιν Ρικλς, φιλόσοφος της Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ της Αυστραλίας. «Δεν θα έπρεπε να υπάρχει βέλος».
(<<< βλέπε αρχική δημοσίευση)
της Amanda Gefter, BHMA, 31/12/2011
Προχωρήστε μερικά βήματα προς τα εμπρός, κάντε μεταβολή και γυρίστε ξανά πίσω. Κανένα πρόβλημα. Τώρα αφήστε να περάσουν μερικά δευτερόλεπτα και ύστερα κάντε μεταβολή και προσπαθήστε να γυρίσετε ξανά πίσω μερικά δευτερόλεπτα στον χρόνο. Αδύνατον; Φυσικά. Οπως ξέρουμε πολύ καλά, ο χρόνος, αντίθετα από τον χώρο, έχει μόνο μία κατεύθυνση – κυλάει από το παρελθόν προς το μέλλον και ποτέ αντίστροφα.
Οι φυσικοί νόμοι πάνε μπρος - πίσω
Ολα αυτά φαίνονται σαν να αποτελούν τη φυσική ροή των πραγμάτων, αν όμως κοιτάξετε προσεκτικά στη Φύση θα δείτε ότι δεν είναι έτσι. Μια ενδελεχής έρευνα των νόμων της Φυσικής δεν αποκαλύπτει ένα τέτοιου είδους «βέλος» του χρόνου. Για παράδειγμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνος για να υπολογίσετε από πού πετάχτηκε μια μπάλα από το παρελθόν, καθώς και το πού θα προσγειωθεί στο μέλλον. Οσον αφορά δε τα σωματίδια, οι νόμοι και οι δυνάμεις που κυβερνούν τη συμπεριφορά τους δεν αλλάζουν αν αντικαταστήσετε το μέλλον με το παρελθόν.
Αν το βέλος του χρόνου δεν υπάρχει στους νόμους της Φυσικής, από πού προέρχεται; Μια σημαντική ένδειξη έρχεται από τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεγάλων αριθμών σωματιδίων. Κάθε αντικείμενο που βλέπετε γύρω σας, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού σας, αποτελείται από ένα τεράστιο σύνολο σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά δεν κάθονται απλώς σε ένα σημείο – αλλάζουν διαρκώς θέση και διάταξη.
Η λακκούβα «παγώνει» τον χρόνο;
Σε κάθε μακροσκοπικό σύστημα – ας πούμε, σε μια λακκούβα με νερό ή σε έναν κρύσταλλο πάγου – οι φυσικοί αποδίδουν μια εντροπία. Η εντροπία αντανακλά τον αριθμό των τρόπων με τους οποίους μπορείτε να αναδιατάξετε τα σωματίδια που αποτελούν ένα σύστημα χωρίς να αλλάξετε τη συνολική του εμφάνιση. Μια λακκούβα με νερό μπορεί να φτιαχτεί αν τοποθετήσετε μόρια νερού με έναν τεράστιο αριθμό τρόπων, κάτι το οποίο σημαίνει ότι πρόκειται για ένα σύστημα υψηλής εντροπίας. Ενας κρύσταλλος πάγου, από την άλλη πλευρά, πρέπει να έχει πολύ συγκεκριμένη διάταξη και επειδή οι τρόποι για να επιτευχθεί αυτό είναι λιγότεροι, έχει χαμηλή εντροπία.
Από την άποψη της καθαρής στατιστικής τα συστήματα με υψηλή εντροπία είναι πιθανότερα απ’ ό,τι αυτά με χαμηλή εντροπία, εφόσον οι τρόποι με τους οποίους μπορούν να παραχθούν είναι πολύ περισσότεροι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σε θερμοκρασίες που είναι αρκετά υψηλές ώστε να επιτρέψουν στα μόρια να πάρουν νέες θέσεις θα δείτε πάντα τον πάγο να μετατρέπεται σε νερό, ενώ δεν θα δείτε ποτέ μια λακκούβα με νερό να κρυσταλλοποιείται αυθόρμητα σε πάγο. Αντιθέτως, αν παρακολουθούσατε μια ταινία και βλέπατε μια σκηνή όπου μια λακκούβα με νερό ξαφνικά παγώνει σε μια ζεστή ημέρα θα υποθέτατε ότι η ταινία παιζόταν αντίστροφα – ότι ο χρόνος κινούνταν προς τα πίσω.
Αν και η εντροπία αποτελεί ένα στατιστικό και όχι θεμελιώδες φαινόμενο, αυτή είναι αρκετή για να οδηγήσει στη γέννηση ενός σημαντικού στυλοβάτη της Φυσικής: του δεύτερου νόμου της Θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η εντροπία του Σύμπαντος δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί. Και εδώ, μπορεί να σκεφθείτε, βρίσκεται το κλειδί για το βέλος του χρόνου – η σταθερή πορεία από τη χαμηλή εντροπία στην υψηλή είναι αυτό το οποίο αντιλαμβανόμαστε ως το πέρασμα από το παρελθόν στο μέλλον.
Μακάρι τα πράγματα να ήταν τόσο εύκολα. Δυστυχώς ο δεύτερος νόμος δεν εξηγεί στην πραγματικότητα το βέλος του χρόνου. Απλώς λέει ότι οι καταστάσεις υψηλής εντροπίας είναι πιο πιθανές από τις καταστάσεις χαμηλής εντροπίας. Ο χρόνος δεν εμφανίζεται πουθενά, κάτι το οποίο σημαίνει ότι ο κόσμος σε πέντε λεπτά από τώρα θα έχει πιθανότατα υψηλότερη εντροπία, αλλά το ίδιο θα είχε και ο κόσμος πριν από πέντε λεπτά.
Γιατί το Σύμπαν δεν είναι πληκτικό
Ο μόνος τρόπος για να εξηγήσουμε το βέλος του χρόνου λοιπόν είναι να θεωρήσουμε ότι το Σύμπαν απλώς έτυχε να ξεκινήσει από μια κατάσταση εξαιρετικά απίθανα χαμηλής εντροπίας. Αν αυτό δεν συνέβαινε, ο χρόνος θα είχε κολλήσει και τίποτε ενδιαφέρον, όπως εμείς, δεν θα είχε προκύψει ποτέ. «Το βέλος του χρόνου εξαρτάται από το γεγονός ότι το Σύμπαν ξεκίνησε από μια πολύ ιδιόμορφη κατάσταση» λέει ο φυσικός Κάρλο Ροβέλι του Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής στη Μασσαλία της Γαλλίας. «Αν είχε ξεκινήσει σε μια τυχαία κατάσταση δεν θα υπήρχε τίποτε για να ξεχωρίζουμε το μέλλον από το παρελθόν».
Πράγματι, η παρατήρηση αποδεικνύει ότι το Σύμπαν ξεκίνησε σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας. Η ακτινοβολία που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Εκρηξη προσφέρει ένα στιγμιότυπο του Σύμπαντος σε βρεφικό στάδιο. Δείχνει ότι κοντά στη στιγμή της έναρξης του χρόνου η ύλη και η ακτινοβολία είχαν εξαπλωθεί υπερβολικά ομαλά στο Διάστημα. Εκ πρώτης όψεως αυτό μοιάζει με κατάσταση υψηλής εντροπίας – ώσπου όμως να λάβουμε υπόψη τη βαρύτητα.
Η βαρύτητα πάντα θέλει να στριμώχνει τα πράγματα μαζί, επομένως σε ένα σύστημα που κυβερνάται από τη βαρύτητα μια μαύρη τρύπα αποτελεί μια πολύ πιο πιθανή κατάσταση και έχει υψηλότερη εντροπία από μια ομαλή κατανομή. Αυτή η χαμηλής εντροπίας ομαλότητα είναι εκπληκτικά απίθανη – πώς λοιπόν σταθήκαμε τόσο τυχεροί; «Αν μπορέσουμε να εξηγήσουμε το παρελθόν της χαμηλής εντροπίας, τότε θα έχουμε σε μεγάλο βαθμό λύσει το πρόβλημα του βέλους του χρόνου» λέει ο κ. Ρικλς.
Πληθωριστικά διλήμματα
Οι κοσμολόγοι έχουν μια ερμηνεία για την ομαλότητα που βλέπουμε στον νεογέννητο κόσμο. Στο πρώτο κλάσμα ενός δευτερολέπτου μετά την έναρξη του χρόνου το Σύμπαν υπέστη μια σύντομη αλλά δραματική έκρηξη επέκτασης, γνωστή ως «πληθωρισμός», η οποία τέντωσε τον χώρο σαν φύλλο από λάστιχο ισιώνοντας κάθε «ζαρωματιά» του.
Ο πληθωρισμός φαίνεται ότι έλυσε το δίλημμα. Αν το εξετάσουμε καλύτερα όμως, απλώς «σπρώχνει» το πρόβλημα πιο πίσω. Για να γίνει ο πληθωρισμός με τον κατάλληλο τρόπο ώστε να παραγάγει το Σύμπαν μας το πεδίο που τον κινούσε, γνωστό ως πληθωριστικό πεδίο, θα πρέπει να είχε ορισμένες αξιοσημείωτα απίθανες ιδιότητες. Ετσι, ενώ το πληθωριστικό πεδίο εξηγεί το μυστήριο του χαμηλής εντροπίας Σύμπαντος, αυτό το ίδιο έχει χαμηλή εντροπία. Πώς απαντούν οι φυσικοί σε αυτό;
Μια πιθανότητα είναι ο πληθωρισμός να μη συντελείται μόνο μία φορά. Ας πούμε ότι το πληθωριστικό πεδίο ξεκίνησε σε μια χαοτική κατάσταση υψηλής εντροπίας – ένα πολύ πιθανότερο σενάριο – έτσι ώστε οι ιδιότητές του να διαφέρουν από μέρος σε μέρος. Ο πληθωρισμός χαμηλής εντροπίας που οδήγησε στο ομαλό Σύμπαν μας και άρα στο βέλος του χρόνου μας θα ήταν σε αυτή την περίπτωση μόνο μια τυχαία κουκκίδα σε ένα μεγαλύτερο πεδίο υψηλής εντροπίας. Κάποια κομμάτια αυτού του πεδίου θα είχαν τις κατάλληλες συνθήκες για να παραγάγουν ένα σύμπαν σαν το δικό μας, ενώ άλλα θα παρέμειναν στείρα ή θα παρήγαν άλλα σύμπαντα.
Λύση το πολυσύμπαν
Στην πραγματικότητα η Φυσική του πληθωριστικού πεδίου εγγυάται ότι υπάρχουν πάντα αρκετά υπολείμματα για τη δημιουργία περισσότερων συμπάντων – οδηγώντας αναπόφευκτα σε ένα άπειρο πολυσύμπαν.
Αρκετά στοιχεία τώρα συγκλίνουν προς το πολυσύμπαν, οδηγώντας πολλούς κοσμολόγους στο να αρχίσουν να παίρνουν την ιδέα στα σοβαρά. Σε ένα πολυσύμπαν κάποια σύμπαντα θα έχουν βέλη χρόνου ενώ πολύ περισσότερα δεν θα έχουν. Δεν θα πρέπει να μας εκπλήσσει το γεγονός ότι βρισκόμαστε σε ένα που έχει, εφόσον φαίνεται ότι αυτό είναι το μοναδικό είδος σύμπαντος που μπορεί να οδηγήσει στη ζωή. «Αυτό είναι το αγαπημένο μου σενάριο» λέει ο Σον Κάρολ, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας στην Πασαντίνα. «Ακόμη δεν έχει πιάσει εντελώς, ελπίζω όμως ότι σύντομα όλοι θα πιστεύουν ότι είναι απόλυτα προφανές».
Ακόμη όμως και αν το πολυσύμπαν μπορεί να εξηγήσει το βέλος του χρόνου, πολλά μυστήρια παραμένουν άλυτα. Για παράδειγμα, πώς συνάδει ο δεύτερος νόμος προς την κβαντική φύση του Σύμπαντος; Τα κβαντικά συστήματα φαίνονται να επιδεικνύουν ένα δικό τους βέλος, περιγράφονται πάντα από υπερθέσεις πιθανών καταστάσεων μέχρις ότου μια μέτρηση μυστηριωδώς επιλέξει μια μοναδική κατάσταση – διαδικασία η οποία φαίνεται να είναι μη αναστρέψιμη. Η Νευροεπιστήμη θέτει επίσης τα δικά της μυστήρια: γιατί ο ανθρώπινος εγκέφαλος θυμάται μόνο το παρελθόν και όχι το μέλλον;
«Η κατανόησή μας για το πώς το βέλος του χρόνου εκδηλώνεται πραγματικά σε διάφορες περιστάσεις – στην εξέλιξη, στη γήρανση, στη μνήμη, στην αιτιότητα, στην πολυπλοκότητα – εξακολουθεί να περιορίζεται από ένα ευρύ φάσμα αναπάντητων ερωτημάτων» λέει ο κ. Κάρολ.
Ας ελπίσουμε ότι οι φυσικοί θα έχουν περισσότερες απαντήσεις στο μέλλον – υπό την προϋπόθεση φυσικά ότι κάτι τέτοιο υπάρχει.
