Miért egyszerűen csak előre, de nem visszamenőleg, a tudomány mindenkinél egyszerű szavakkal jár
Van egy tojás az arcodon, szó szerint. Megpróbálta zsonglőrködni egy pár tojást, de valami elromlott, és most be kell zuhanyozni és ruhát küldenie a mosodába. Nem lenne gyorsabb csak megtörni a tojást hátra? Figyelem! Csak akkor, ha pár másodpercen belül meg lehet szakítani, miért nem ugyanazt csinálja, de fordítva? Egyszerűen szerelje össze a héjat, dobja a tojássárgát és a fehérjét. Tiszta arca lesz, ruhák, mintha semmi sem történt volna
Tény, hogy "a tojás felosztása ellenkezőleg" nem lehetetlen. Nincs olyan alapvető törvény a természetben, amely megtilt bennünket. Ráadásul a fizikusok azt mondják, hogy mindennapi életünk bármely eseménye éppen ellenkezőleg, bármikor megtörténhet. Miért nem gyűjtünk tojásokat, égetünk meg, nem szorítjuk meg a bokáinkat? Miért nem fordulnak elő a dolgok a másik oldalon? Miért különbözik a jövő a múlttól?
Talán ez a kérdés olyan egyszerűnek tűnik, hogy még azt sem kell megkérdezni. De valójában, ha megpróbál választ találni rá, a fizikusok a világegyetem születése felé fordulnak, az atomoszlopok alatt keresnek, megpróbálnak túlszárnyalni a modern tudomány határain.
Mint sok történet a fizikáról, ez Isaac Newton-nal kezdődik. 1666-ban a buborék pestis kitörése kényszerítette őt arra, hogy elhagyja a Cambridge-i Egyetemet, és az anyjával Lincolnshire falujához tér vissza. Unatkozva és unatkozva az unalom, Newton elkezdett sok időt szentelni a fizika számára.
Három mozgásszabályt hozott, valamint a híres Maxim: minden fellépésnek egyenlő ellenállása van. Azt is kifejtette, hogy hogyan működik a gravitáció.
Newton törvényei meglepően sikeresek voltak a világ leírásában. Megmagyarázzák, hogy az alma miért esik le a fáról és miért forog a föld a nap körül. De van egy furcsa részlet: jól működnek mind előre, mind hátra. Csak akkor, ha a tojás megtörhet, Newton törvényei azt mondják, hogy összegyűjtheti.
Nyilvánvaló, hogy ez rossz, de szinte minden olyan elméletet, amelyet a fizikusok felfedeztek, mivel Newton hasonló problémát követett el. Úgy tűnik, hogy a fizika törvényei nem aggódnak, hogy az idő előre-hátra-e, csak akkor, ha nem aggódsz, hogy jobbkezes vagy balkezes vagy.
De természetesen aggódunk. Érzéseink alapján az idő egy nyíl, mindig a jövő felé irányul. „Lehet keverjük össze a Kelet és a Nyugat, de nem véletlenül tegnap és holnap - mondta Sean Carroll, fizikus, a California Institute of Technology Pasadena -. De az alapvető fizika törvényei nem tesznek különbséget a múlt és a jövő.”
Az első, aki komolyan foglalkozott ezzel a problémával, Ludwig Boltzmann osztrák fizikus volt, aki a 19. század végén élt. Abban az időben sok olyan ötletet, mely ma igaznak bizonyult, ezt követően erőteljesen megvitatták. Különösen a fizikusok nem voltak meggyőződve - mint ma -, hogy minden apró részecskékből, atomokból áll. Sok fizikus szerint az atomok elképzelését egyszerűen lehetetlen igazolni.
Boltzmann meg volt győződve arról, hogy léteznek atomok. Ezért elhatározta, hogy ezt az elképzelést elmagyarázza, és mindent megmagyaráz: a tűz fénye, a tüdő munkája, miért hűl a tea, ha fúj. Azt hitte, megtalálja a magyarázatot mindezért az atomok fogalmának felhasználásával. Néhány fizikus meg volt elégedve Boltzmann munkájával, de a legtöbb nem fogadta el. Hamarosan kizárták a fizikusok közösségéből ilyen ötleteket.
Különösen nem kedvelte gondolatait a hő természetéről. Talán a hőnek nincs sok köze az idő jellegéhez, de Boltzmann meg akarta mutatni, hogy ez a két dolog szorosan összefügg. Abban az időben a fizikusok olyan termodinamikai elméletet alakítottak ki, amely a hőviselkedést írja le. Például a termodinamika azt írja le, hogy a hűtőszekrény egy forró napon hűvös marad.
Boltzman igaza volt?
A Boltzmann ellenfelei úgy vélték, hogy a hő egyszerűen nem írható le másnak. A hő csak meleg. Azonban Boltzmann úgy döntött, hogy rosszat bizonyít. Úgy vélte, hogy a hőt az atomok véletlenszerű mozgása okozza, és hogy minden termodinamika ebben az összefüggésben magyarázható. És teljesen igaza volt, de az egész életét töltötte, hogy megpróbálja meggyőzni a többieket.
Boltzmannak valami furcsa indítékkal próbálkozott: entrópia. A termodinamika szerint a világ minden objektumának bizonyos mértékű kapcsolódó entrópiája van, és ha valami történik vele, az entrópia mennyisége nő. Például ha jégkockát tesz egy pohár vízben, és megolvad, az üveg entrópiája emelkedni fog.
Az entrópia növekedése nem hasonlít másra a fizikában: ez a folyamat csak egy irányba mutat. De senki sem tudta, miért növekszik az entrópia.
Boltzmann munkatársai azzal érveltek, hogy lehetetlen megmagyarázni, hogy miért növekszik az entrópia. Csak növekszik. De Boltzmann nem tetszett neki, és rejtett jelentést keresett mindezekben. Ennek eredményeként az entrópia radikálisan új értelmezése merült fel. És ez a felfedezés annyira fontos volt, hogy még a tudós sírkőjére is vésett.
Boltzmann úgy találta, hogy az entrópiát az atomok számának, valamint az általuk átadott energiának a számával lehet megmérni. Amikor az entrópia növekszik, azt jelenti, hogy az atomok keverednek.
Boltzmann szerint tehát a jég megolvad a vízben. Amikor a víz folyékony állapotban van, sokkal több mód van arra, hogy a vízmolekulák össze tudjanak állni, és sokkal több módja van arra, hogy a molekulák között megosszák a hőenergia energiáját, mint amikor a víz szilárd állapotban van. A jégnek olyan sok módja van az olvadásnak, és olyan kevés módja annak, hogy szilárd állapotban maradjon, az esetek túlnyomó többségében a jég végül megolvad.
Hasonlóképpen, ha a krémet a kávéba dobja, akkor a krém felborul a pohárra, mivel ez a magasabb entrópia állapot. A krémnek több módja van arra, hogy a darabokat a kávé fölé terjessze, mint amikor egy kis területen volt.
Az entrópia Boltzmann szerint valószínű. Az alacsony entrópiájú tárgyak szépen rendezettek, így alig léteznek. A nagy entrópiájú tárgyak homályosak, ami azt jelenti, hogy létük valószínűsége magas. Az entrópia mindig nő, mert a dolgok sokkal könnyebbek lehetnek rendetlenek.
Talán nyomasztóan hangzik, különösen, ha szereti a rendet a házban. De adjon esélyt Boltzmann ötleteinek: úgy tűnik, képesek megmagyarázni az idő nyílját.
Boltzmann megközelítése az entrópiához magyarázza, hogy miért mindig növekszik. Ez viszont azt sugallja, miért mindig átmenetileg átmeneteket tapasztalunk. Abban az esetben, ha az univerzum egészében az alacsony entrópiáról a nagy entrópiára költözik, akkor soha nem fogjuk látni, hogy valami visszamenőleg történik.
Nem fogjuk látni, hogyan halad a tojás, mert a tojás részeit sokféleképpen lehet megszervezni, és szinte mindegyik inkább törött tojást eredményez, nem pedig az egészet. Hasonlóképpen, a jég nem olvad vissza, az égések nem fognak meggyógyulni, és a bokákat nem húzza vissza a nyújtás után.
Az entrópia Boltzmann definíciója még azt is megmagyarázza, miért emlékezünk a múltra, de nem a jövőre. Képzeld el az ellenkezőjét: van egy emléke az eseményről, akkor ez megtörténik, és a memória eltűnik. Ennek az agynak az esélye rendkívül kicsi. Boltzmann szerint a jövõ különbözik a múlttól, mert az entrópia növekszik. De a bosszantó ellenfelei a hibában az érvelés rámutatott.
Boltzmann azt mondta, hogy az entrópia növekszik, ahogy a jövőben mozogsz, köszönhetően a valószínűségeknek, amelyek szabályozzák a kis tárgyak, például az atomok viselkedését. De ezek a kis tárgyak maguk is betartják a fizika alapvető törvényeit, amelyek nem húznak vonalat a múlt és a jövő között. Ezért a Boltzmann-érv fejjel lefelé fordulhat. Ha azt mondod, hogy az entrópia növekszik, ahogy belépsz a jövőbe, azzal érvelhetsz, hogy az entrópia növekedni fog, ahogy belépsz a múltba.
Boltzmann úgy vélte, hogy a tojás megtörik, és nem marad érintetlenül, ésszerű volna elvárni, hogy az egész tojás megtörik. De van egy másik értelmezés. Az intakt tojások annyira ritkák és hihetetlenek, hogy a tojások a legtöbb idejüket törölték, és nagyon ritkán összegyűlnek, hogy pillanatnyilag egészekké váljanak, majd újra felbomlanak. Röviden, Boltzmannak az entrópiával kapcsolatos elképzeléseit használhatjuk fel, azzal érvelve, hogy a jövõ és a múltnak hasonlónak kell lennie. De ezt nem tartjuk be, így visszatérünk az eredeti helyzetbe. Miért van a végén az idő nyílása?
Boltzmann számos megoldást javasolt erre a problémára. Az egyik legjobb lett a múlt hipotézise. Nagyon egyszerű: a távoli múltban a világegyetem alacsony entrópia állapotban volt. Így ha ez így van, akkor a Boltzmann-érvelésben lévő rés késik. A jövő és a múlt másképp néz ki, mert a múltban a entropia magasabb volt, mint a jövőben. Ezért a tojások verte, de nem fognak.
Logikusnak tűnik, de új kérdés merül fel: miért kell a múlt hipotézisének igaznak lennie? Az alacsony entrópiás állapot nem valószínű, akkor miért lenne a múltban az univerzum entrópiája alacsony? Boltsman nem tudta megoldani ezt a kérdést. A fizikai közösség által elutasított, szinte állandó depresszióban maradt, biztos volt benne, hogy életének munkáját elfelejtik. 1906-ban Trieszt közelében családi nyaraláson Ludwig Boltzmann felakasztotta magát.
Különösen tragikus volt az öngyilkossága, hiszen már tíz év alatt a fizikusok elfogadták Boltzmannak az atomokra vonatkozó elképzeléseit. Sőt, a következő évtizedekben az új felfedezések kimutatták, hogy magyarázatok találhatók a múlt hipotézisére.
A XX. Században a világegyetemről alkotott képünk radikálisan megváltozott. Azt találtuk, hogy van egy kezdete.
Boltzmann idejében a legtöbb fizikus úgy gondolta, hogy az örök univerzum - mindig is létezett. Az 1920-as években azonban a csillagászok felfedezték, hogy a galaxisok repülnek. Az univerzum kiterjed, kitaláltak. Szóval, miután mindent sokkal közelebb és közelebb hoztak.
Az elkövetkező néhány évtizedben a fizikusok megállapodtak abban, hogy az univerzum hihetetlenül forró és sűrű ponttal kezdődik. Gyorsan bővült és lehűlt, mindent megformálva, ami ma létezik. Ez a gyors kiterjedés egy kis forró univerzumról nagy robbanásnak nevezték.
Minden a múlt hipotézise mellett szólt. „Az emberek azt mondják, nos, akkor nyilvánvaló, hogy a fiatal univerzum entrópiája alacsony volt, - mondja Carroll - de miért entrópia alacsony volt kezdetben, 14 milliárd évvel ezelőtt, a nagy bumm, senki sem tudja.”.
Az igazságosság érdekében érdemes megjegyezni, hogy egy hatalmas kozmikus robbanás egyértelműen nem úgy hangzik, mint valami alacsony entropia. A robbanásokat rendszerint valami, de nem sorrendben képviselik. Sokféleképpen szervezték meg az anyagot és az energiát a fiatal univerzumban, így forró volt, apró és kibővült. Azonban, amint kiderült, az entrópia kicsit más, ha olyan sok energia van körülötte.
Képzeljünk el egy hatalmas üres tér régiót, amelynek közepén egy napsütéses gázfelhő. A gravitáció összeszedi a gázt, így a gáz szorosan leesik és végül össze fog bukkanni egy csillagba. Hogyan lehetséges ez, ha az entrópia folyamatosan növekszik? A gáz több módja van a szervezésnek, amikor eloszlik és eloszlik.
A tömegek privilégiuma.
A válasz az, hogy a gravitáció befolyásolja az entrópiát, de pontosan, hogy a fizikusok még mindig nem értik. Masszív tárgyak esetében a tömegnövelés nagyobb entrópiát jelent, és nem sűrű és homogén. Ezért a galaxisokkal, csillagokkal és bolygókkal rendelkező univerzum nagyobb entrópiával rendelkezik, mint a forró és sűrű gázzal töltött univerzum.
Van egy új problémánk. Az a fajta univerzum, amely a nagy, forró és sűrű bumm után jelent meg, alacsony entrópiával rendelkezik, ami azt jelenti, hogy nem valószínű. "Aligha számíthatsz arra, hogy kiválaszd ezt a zacskóból a világegyetemmel" - mondja Carroll.
Hogyan kezdődött a mi univerzum ilyen valószínűtlen állapotban? Még nem világos, hogy milyen választ szeretnénk találni. "Mit fognak tekinteni a világegyetem kezdeti állapotának tudományos magyarázataként?" - kérdezte Tim Modlin, a New York-i Egyetem fizika filozófusa.
Van egy ötlet, hogy valami volt a nagy bumm. Vajon ez a fiatal univerzum alacsony entrópiája? Carroll és az egyik egykori diákok olyan modellt javasolt, amelyben a „Csecsemő” univerzumok állandóan jön létre, elválasztva a szülő világegyetem tágul, mint a miénk. Ezek a morzsa-univerzumok alacsony entrópiával kezdődnek, de a "többszörös univerzum" entrópiája egészében mindig magasabb lesz.
Csak ha ez igaz, a fiatal univerzumok csak úgy tűnnek, hogy alacsony entrópiával jelennek meg, mert nem látjuk a nagy képet. Ugyanez igaz lehet az idő nyilakra is. "Ez a fajta ötlet feltételezi, hogy a világegyetem közös képének messze elmarad a távoli jövőjé" - mondja Carroll.
Nincs széles körű egyetértés Carroll magyarázatával kapcsolatban. Csak ajánlatok, de semmi sem ígéretes. A probléma egy része, hogy a legjobb fizikai elméletünk nem tudja megmagyarázni a nagy robbanást. Anélkül, hogy megmagyarázná, mi történt a világegyetem megszületésének idején, nem tudjuk megmagyarázni, miért van egy alacsony entrópia.
A modern fizika két nagy elméletre támaszkodik. A kvantummechanika megmagyarázza a kis dolgok, például az atomok viselkedését, és az általános relativitáselmélet magyarázza a nagy dolgokat, mint a csillagok. De még mindig nem lehet kombinálni.
Ezért, ha valami nagyon kicsi és nagyon nehéz, mint a világegyetem egy nagy bumm, a fizikusok lesz a zsákutca. A fiatal univerzum megmagyarázásához a két elméletet össze kell kapcsolni a "Mindent elmélet" -be. Általános elmélet, valószínűleg, megmagyarázza az idő nyílját. Ez az elmélet is megmagyarázza, hogyan építi fel a természetet és az időt. De évtizedekig senki sem közelítette meg mindent elméletét. Bár a jelöltek bizonyosan elérhetőek.
Mindenki legígéretesebb elmélete lehet a húrelmélet, amely szerint minden szubatomi részecskék valójában apró szálakból állnak. A sztringelmélet azt is mondja, hogy a tér további dimenziókkal rendelkezik, az ismert három mellett, amelyek mikroszkopikus méretre vannak hajtva, és egyfajta többszörös univerzumban élünk.
Mindez rendkívül furcsán hangzik. Mindazonáltal a legtöbb részecskefizikus látja a húrelméletben a legjobb jelöltet mindent elméletre. Ez azonban nem segít megmagyarázni, miért halad előre az idő. Mint minden más alapvető fizikai elmélethez, a húrelmélet-egyenletek nem vonzanak szigorú vonalat a múlt és a jövő között. Még ha a húrelmélet is igaznak bizonyul, nem magyarázhatja meg az időnyomot.
A smolinnak dolgozva a Waterloo-i Perimeter Institute-ban, Kanada, Marina Cortes a húrelmélet alternatíváihoz dolgozik, amelyek az idős nyíl alapszintűek.
Cortez és Smolin azt sugallják, hogy az univerzum teljesen egyedi eseményekből áll, amelyek soha többé nem ismétlődnek. Minden eseménykészlet csak a következõ sorozatban szereplõ eseményeket érinti, ezáltal az idõsávot. „Reméljük, hogy ha tudjuk alkalmazni az ilyen típusú egyenletek kozmológiai érkezünk a probléma a kezdeti feltételek a világegyetem és rájössz, hogy nincs semmi különleges,” - mondja Cortes.
Ez a magyarázat teljesen nem ért egyet a Boltzmannal, amikor az idő nyílja a valószínűség törvényeit követi. "Az idő nem illúzió" - mondja Cortez - "létezik és tényleg halad előre."
A legtöbb fizikus nem látja a problémát Boltzmann magyarázata. „Boltzmann rámutatott a helyes irányba, hogy megoldást találjanak, és hosszú ideig - mondta David Albert, a filozófus fizika Columbia University, New York -. Van valódi remény, hogy ha ásni elég mély, akkor minden rendben lesz, mint az említett Boltzmann.” Carroll egyetért. „Ha az ősrobbanás egy alacsony entrópia, ennyi az egész. Mi lesz képes megmagyarázni a különbség a múlt és a jövő.”
Bármi is legyen, megmagyarázni az idő nyílját, meg kell magyaráznunk az alacsony entrópia állapotát a világegyetem kezdetén. Ehhez minden elmélet, mindent elmélet, húrelmélet, az oksági sorozatok Cortés és Smolin elmélete hasznos lehet. Az emberek csak 90 éve keresnek elméletet. Hogyan találjuk meg? Honnan tudjuk, hogy megtalálta.