Ai un ou pe față, literalmente. Ați încercat să jonglați câteva ouă, dar ceva nu a mers bine, iar acum trebuie să faceți duș și să trimiteți haine la spălătorie. Nu ar fi mai repede doar să spargi oul înapoi? Atenție vă rog! Numai dacă ar fi posibil să o rupeți în câteva secunde, de ce nu faceți același lucru, dar invers? Pur și simplu asamblați coaja, aruncați în gălbenuș și proteine. Veți avea o față curată, haine, ca și cum nimic nu sa întâmplat
De fapt, "împărțirea ouălor Dimpotrivă" nu este imposibilă. Nu există o lege fundamentală a naturii care ne interzice să facem acest lucru. Mai mult, fizicienii spun că orice eveniment din viața noastră de zi cu zi se poate întâmpla dimpotrivă, în orice moment. De ce atunci nu colectăm ouă, nu vindecăm arsurile, nu ne strângem gleznele? De ce lucrurile nu se întâmplă invers? De ce este viitorul diferit de trecut?
Poate că această întrebare pare atât de simplă încât nici nu ar trebui să fie întrebată. Dar, de fapt, încercând să găsească un răspuns la aceasta, fizicienii se îndreaptă spre nașterea universului, privesc sub capacele atomilor, încearcă să depășească limitele științei moderne.
Ca multe povestiri despre fizică, aceasta începe cu Isaac Newton. În 1666, o epidemie de ciumă bubonică ia forțat să părăsească Universitatea Cambridge și să se întoarcă împreună cu mama sa în satul Lincolnshire. Plictisit și plictisit de plictiseală, Newton a început să dedice mult timp fizicii.
El a derivat trei legi de mișcare, precum și faimosul Maxim: fiecare acțiune are o opoziție egală. El a dezvoltat, de asemenea, o explicație a funcționării gravitației.
Legile lui Newton au fost surprinzător de reușite în descrierea lumii. Ei explică de ce merele cad din copaci și de ce pământul se rotește în jurul soarelui. Dar au un detaliu ciudat: funcționează la fel de bine atât în față, cât și înapoi. Numai dacă oul se poate rupe, legile lui Newton spun că se poate colecta.
Evident, acest lucru este greșit, dar aproape orice teorie pe care au descoperit-o fizicii de când Newton are o problemă similară. Legile fizicii par să nu vă îngrijorați dacă timpul se mișcă înainte sau înapoi, așa cum nu vă îngrijorați dacă sunteți un dreptaci sau un stângaci.
Dar, desigur, ne îngrijorăm. Bazat pe senzațiile noastre, timpul este o săgeată, mereu îndreptată spre viitor. "Puteți să amestecați estul și vestul, dar nu veți greși ieri și mâine", spune Sean Carroll, fizician la Institutul de Tehnologie din California din Pasadena, "dar legile fundamentale ale fizicii nu disting între trecut și viitor".
Prima persoană care sa ocupat serios de această problemă a fost fizicianul austriac Ludwig Boltzmann, care a trăit la sfârșitul secolului al XIX-lea. La acea vreme, multe idei care s-au dovedit a fi adevărate astăzi au fost apoi discutate viguros. În special, fizicienii nu au fost convinși - ca în prezent - că totul constă în particule mici, atomi. Conform multor fizicieni, ideea de atomi a fost pur și simplu imposibil de verificat.
Boltzmann era convins că există atomi. Deci, el a decis să ia această idee și să explice totul: strălucirea focului, munca plămânilor, de ce ceaiul se răcește, dacă suflă. Credea că poate găsi o explicație pentru toate astea, folosind conceptul de atomi. Unii fizicieni au fost impresionați de lucrarea lui Boltzmann, dar cei mai mulți nu l-au acceptat. Curând a fost expulzat din comunitatea fizicienilor pentru astfel de idei.
Mai ales că nu-și plăcea gândurile despre natura căldurii. Poate că căldura nu are prea multe în comun cu natura timpului, dar Boltzmann a vrut să arate că aceste două lucruri sunt strâns legate. În acel moment, fizicienii au venit cu o teorie numită termodinamică, care descrie comportamentul căldurii. De exemplu, termodinamica descrie modul în care un frigider poate menține mâncarea rece într-o zi fierbinte.
Boltzmann a fost corect?
Oponenții lui Boltzmann au crezut că căldura pur și simplu nu poate fi descrisă ca altceva. Căldura este doar căldură. Cu toate acestea, Boltzmann a decis să le dovedească că este greșit. El credea că căldura este cauzată de mișcarea aleatorie a atomilor și că toată termodinamica poate fi explicată în acest context. Și avea absolut dreptate, dar a petrecut restul vieții încercând să-i convingă pe ceilalți.
Boltzmann a început cu o încercare de a explica ceva ciudat: entropia. Conform termodinamicii, fiecare obiect din lume are o anumită cantitate de entropie asociată și, ori de câte ori se întâmplă ceva, cantitatea de entropie crește. De exemplu, dacă puneți cuburi de gheață într-un pahar de apă și lăsați-le să se topească, entropia din sticlă se va ridica.
Creșterea entropiei nu este ca orice altceva în fizică: acest proces este doar într-o singură direcție. Dar nimeni nu știa de ce entropia crește întotdeauna.
Colegii de la Boltzmann au susținut că este imposibil să se explice de ce entropia crește întotdeauna. Pur și simplu crește. Dar Boltzmann nu-i plăcea și căuta un sens ascuns în toate astea. Ca urmare, a apărut o nouă înțelegere radicală a entropiei. Și această descoperire a fost atât de importantă încât a fost chiar gravată pe piatra funerară a omului de știință.
Boltzmann a descoperit că entropia este măsurată prin numărul de moduri în care pot fi organizate atomii, precum și energia transferată de ei. Când entropia crește, înseamnă că atomii devin mai amestecați.
Potrivit lui Boltzmann, prin urmare, gheata se topește în apă. Când apa este în stare lichidă, există mai multe modalități prin care moleculele de apă pot fi aliniate, și mai multe moduri de a împărți energia termică între aceste molecule decât atunci când apa este în stare solidă. În gheață au doar atât de multe moduri de a topi și atât de puține modalități de a rămâne în stare solidă, care, în cele mai multe cazuri, gheața în cele din urmă se topește.
În mod similar, dacă aruncați crema în cafeaua dvs., crema se va întinde peste ceașcă, deoarece aceasta este starea entropiei mai mari. Crema are mai multe moduri de a răspândi bucățile de cafea decât atunci când se aflau într-o zonă mică.
Entropia, conform lui Boltzmann, este probabil. Obiectele cu entropie scăzută sunt organizate cu ușurință, astfel încât ele nu există. Obiectele cu entropie ridicată sunt vagi, ceea ce înseamnă că probabilitatea existenței lor este ridicată. Entropia intotdeauna creste, pentru ca lucrurile sunt mult mai usor sa fie dezordonate.
Poate că suna deprimant, mai ales dacă vă place ordinea în casă. Dar dați ideilor lui Boltzmann o șansă: ei par să poată explica săgeata timpului.
Abordarea lui Boltzmann la entropie explică de ce crește întotdeauna. Aceasta, la rândul său, sugerează de ce trăim întotdeauna schimbări temporare. În cazul în care universul în ansamblul său se mișcă de la entropia scăzută la entropia ridicată, nu vom vedea niciodată cum merge ceva înapoi.
Nu vom vedea cum merge oul, deoarece există multe modalități de a organiza părțile oului și aproape toate conduc la un ou rupt, mai degrabă decât la întreg. În mod similar, gheața nu se va topi, arsurile nu se vor vindeca și gleznele nu vor fi retrase după întindere.
Definiția entropiei de către Boltzmann explică chiar de ce ne amintim de trecut, dar nu de viitor. Imaginați-vă opusul: aveți o amintire a evenimentului, atunci se întâmplă și memoria dispare. Șansele ca acest lucru să se întâmple acestui creier sunt extrem de mici. Potrivit lui Boltzmann, viitorul diferă de trecut doar pentru că entropia crește. Dar adversarii lui enervant de eroare în raționamentul său a subliniat.
Boltzmann a spus că entropia crește pe măsură ce vă mișcați în viitor, datorită probabilităților care controlează comportamentul obiectelor mici precum atomii. Dar aceste obiecte mici se supun legilor fundamentale ale fizicii, care nu trasează o linie între trecut și viitor. Prin urmare, argumentul lui Boltzmann poate fi inversat. Dacă spui că entropia crește atunci când te miști în viitor, poți susține că entropia va crește pe măsură ce te miști în trecut.
Boltzmann credea că oul se va rupe, mai degrabă decât să rămână intact, ar fi rezonabil să ne așteptăm ca ouăle întregi să fie rupte. Dar există o altă interpretare. ouă intacți este atât de rar și improbabil că ouăle ar trebui să-și petreacă cea mai mare parte a timpului frustrat, rareori vin împreună pentru o clipă și să devină întreg din nou după pauză. Pe scurt, se pot folosi ideile lui Boltzmann despre entropie, argumentând că viitorul și trecutul ar trebui să fie similare. Dar nu observăm acest lucru, așa că revenim la poziția inițială. De ce, în cele din urmă, există săgeata timpului?
Boltzmann a propus câteva soluții la această problemă. Unul dintre cei mai buni a devenit cunoscut ca ipoteza trecutului. Este foarte simplu: la un moment dat în trecutul îndepărtat, universul se afla într-o stare de entropie scăzută. Astfel, dacă acest lucru este posibil, diferența dintre raționamentul lui Boltzmann este întârziată. Viitorul și trecutul arată diferit, deoarece trecutul avea o entropie mai mare decât viitorul. Prin urmare, ouăle bate, dar nu vor merge.
Pare logic, dar apare o nouă întrebare: de ce ipoteza trecutului trebuie să fie adevărată? Starea entropiei scăzute este puțin probabilă, de ce ar trebui entropia universului să fie scăzută în trecut? Boltsman nu a reușit să rezolve această problemă. Starea într-o stare de depresie aproape constantă, respinsă de comunitatea fizică, era sigur că munca vieții sale va fi uitată. Pe o vacanță de familie lângă Trieste în 1906, Ludwig Boltzmann sa spânzurat.
Sinuciderea sa a fost deosebit de tragică, deoarece deja în zece ani fizicienii au acceptat ideile lui Boltzmann despre atomi. În plus, în deceniile următoare, noi descoperiri au arătat că pot fi găsite explicații pentru ipoteza trecutului.
În secolul XX, imaginea noastră despre univers sa schimbat radical. Am descoperit că are un început.
La vremea lui Boltzmann, majoritatea fizicienilor au crezut că universul etern - a existat întotdeauna. Dar, în anii 1920, astronomii au descoperit că galaxiile au zburat. Universul se extinde, au ghicit. Deci, odată ce totul era mult mai apropiat.
În decursul următoarelor decenii, fizicienii au ajuns la un acord că universul a început cu un punct incredibil de fierbinte și dens. Ea sa extins rapid și sa răcit, formând tot ceea ce există astăzi. Această expansiune rapidă dintr-un mic univers fierbinte a fost numită o explozie mare.
Totul a vorbit în favoarea ipotezei trecutului. „Oamenii spun, ei bine, este evident că universul tânăr, entropia a fost scăzut, - spune Carroll - dar de ce entropie a fost redus inițial, acum 14 miliarde de ani, în timpul Big Bang-ului, nimeni nu știe.“.
Din motive de justiție, merită remarcat faptul că o explozie cosmică imensă nu pare a fi ceva cu entropie scăzută. Exploziile sunt reprezentate de obicei prin orice, dar nu prin ordin. Au existat multe moduri de a organiza materia și energia în universul tânăr, deci a fost fierbinte, mic și extins. Cu toate acestea, după cum sa dovedit, entropia este un pic diferită, când există atât de multă energie în jur.
Imaginați-vă o regiune spațioasă gol spațiu, în centrul căruia este un nor de gaz cu o masă de soare. Gravitatea trage gazul împreună, astfel încât gazul devine strâns bătut în jos și în cele din urmă se prăbușește într-o stea. Cum este posibil acest lucru dacă entropia este în continuă creștere? Gazul are mai multe modalități de organizare atunci când se disipează și se dispersează.
Privilegiul maselor.
Răspunsul este că gravitatea afectează entropia, dar cum exact, fizicienii încă nu înțeleg. În cazul obiectelor masive, câștigarea de masă va însemna o entropie mai degrabă, în loc să fie densă și omogenă. Prin urmare, universul cu galaxii, stele și planete are o entropie mai mare decât universul este umplut cu gaz fierbinte și dens.
Avem o nouă problemă. Acest tip de univers care a apărut imediat după Big Bang, cald și dens, are entropie scăzută, ceea ce înseamnă că este puțin probabil. "Nu te-ai aștepta să extragi asta din sacul cu universul", spune Carroll.
Cum a început universul nostru cu o stare atât de puțin probabilă? Nici măcar nu este clar ce răspuns am dori să găsim. "Ce va fi considerată o explicație științifică a stării inițiale a universului?" - a întrebat Tim modlin, filozof de fizică la Universitatea din New York.
Există o idee că a existat ceva înainte de Big Bang. Poate aceasta să fie considerată o entropie scăzută a universului tânăr? Carroll și unul dintre foștii săi studenți au propus un model în care universuri „pentru sugari“ vin în mod constant în existență, separat de universul părinte și extinderea, cum ar fi propriul nostru. Aceste stomacuri - universurile încep cu entropie scăzută, dar entropia "Universului Multiplu" în ansamblu va fi întotdeauna mai mare.
Doar dacă acest lucru este adevărat, universurile tinere par să apară doar cu o entropie scăzută, pentru că nu vedem imaginea de ansamblu. Același lucru poate fi valabil și pentru săgeata timpului. "Acest tip de idee presupune că trecutul de departe al imaginii noastre comune a Universului pare absolut ca viitorul îndepărtat", spune Carroll.
Nu există un acord general cu privire la explicația lui Carroll. Numai oferte, dar nimic foarte promițător. O parte din problemă este că cea mai bună teorie a fizicii nu poate explica explozia mare. Fără a explica ce sa întâmplat la momentul nașterii universului, nu putem explica de ce are o entropie scăzută.
Fizica modernă se bazează pe două mari teorii. Mecanica cuantică explică comportamentul unor lucruri mici precum atomii, iar teoria generală a relativității explică lucruri mari precum stelele. Dar ele încă nu pot fi combinate.
Prin urmare, dacă ceva este foarte mic și foarte greu, cum ar fi universul în timpul unei lovituri mari, fizicienii vor fi la un capăt închis. Pentru a explica universul tânăr, trebuie să combine cele două teorii în "Teoria tuturor". Teoria generală, cel mai probabil, va explica săgeata timpului. De asemenea, această teorie va explica modul în care natura construiește spațiu și timp. Dar, de zeci de ani, nimeni nu sa apropiat de teoria tuturor. Deși candidații sunt cu siguranță disponibili.
Cea mai promițătoare teorie a tuturor poate fi teoria corzilor, care susține că toate particulele subatomice constau efectiv din mici șiruri de caractere. teoria corzilor afirmă, de asemenea, că există dimensiuni suplimentare ale spațiului, în plus față de trei cunoscute, care sunt rabatate la dimensiuni microscopice, iar noi trăim într-un fel de multi-univers.
Toate astea sună ciudat. Cu toate acestea, majoritatea fizicienilor particulelor văd în teoria corzilor cel mai bun candidat al nostru pentru teoria tuturor lucrurilor. Cu toate acestea, acest lucru nu ne ajută să explicăm de ce timpul avansează. Ca aproape orice altă teorie fizică fundamentală, ecuațiile teoriei corzilor nu trasează o linie strictă între trecut și viitor. Chiar dacă teoria șirului se dovedește a fi corectă, s-ar putea să nu explice săgeata de timp.
Lucrul cu Lee Smolin în Institutul Perimetru în Waterloo, Canada, Marina Cortez lucrează la alternative la teoria corzilor, care includ săgeata de timp la un nivel fundamental.
Cortez și Smolin sugerează că universul constă dintr-o serie de evenimente complet unice care nu se reapare niciodată. Fiecare set de evenimente poate afecta numai evenimentele din setul următor, construind astfel săgeata de timp. „Speram ca, daca putem aplica aceste tipuri de ecuații în cosmologie, ajungem la problema condițiilor inițiale ale universului și de a descoperi că nu este nimic special“, - spune Cortes.
Această explicație nu este de acord cu Boltzmann, atunci când săgeata timpului decurge din legile probabilității. "Timpul nu este o iluzie", spune Cortez, "există și se mișcă cu adevărat înainte".
Majoritatea fizicienilor nu văd problema în explicațiile lui Boltzmann. „Boltzmann a subliniat în direcția corectă pentru a găsi o soluție și pentru o lungă perioadă de timp, - a spus David Albert, un filozof de fizica la Universitatea Columbia din New York, -.. Este reală speranța că, dacă sapi suficient de adânc, atunci totul va fi bine, așa cum a spus Boltzmann“ Carroll este de acord. "Dacă se produce o explozie mare cu entropie scăzută, asta e tot, putem explica toate diferențele dintre trecut și viitor".
Indiferent ce a fost, pentru a explica săgeata timpului, trebuie să explicăm starea entropiei scăzute la începutul universului nostru. Pentru aceasta, orice teorie, teoria tuturor, teoria corzilor, teoria seriei cauzale Cortés și Smolin pot fi utile. Oamenii caută o teorie de numai 90 de ani. Cum o găsim? De unde știm că am găsit-o.