Rolul timpului in descrierea universului fizic (eseu)
miercuri, 9 decembrie 2009
Şoptică Ciprian Iulian
Ilya Prigogine, în celebra lucrare, De la existenţă la devenire, apărută în 1980, iar la noi, mai târziu, în 1992, analizează cu profund interes, problema timpului, pornind, în mod special, de la principiul al doilea al termodinamicii, a lui Rudolf Clausius. Demersul analitic al autorului vizează, oarecum programatic, surprinderea şi descrierea anumitor procese, variaţii, stări, structuri, fluctuaţii, operaţii, din fizică, şi nu numai, sub semnul dialecticii existenţă-devenire. Comparând cele două modele fundamentale ale Universului: newtonian şi einteinian, de la care au pornit majoritatea savanţilor, în imaginarea tuturor celorlalte modele posibile, Ilya Prigogine observă că universul newtonian este unul al existenţei fără devenire, iar cel einsteinian, oarecum în opoziţie cu cel galileo-newtonian, un univers al timpului ca devenire.
În acest context, dinamica newtoniană descrie procese în care sensul timpului nu prea mai are importanţă, iar termodinamica îşi dezvăluie implacabil, unilateralitatea. De asemenea, principiul al doilea al termodinamicii în varianta sa clasică rezumă, în mod surprinzător, caracteristicile unor astfel de procese. Aşadar, creşterea monotonă a entropiei până ce se atinge valoarea maximă, în starea ei de echilibru termodinamic, face distincţia fundamentală între procesele reversibile şi cele ireversibile. Întrucât, numai procesele ireversibile contribuie la producţia de entropie, ex: reacţii chimice, conducţia căldurii şi difuzia, principiul al doilea al termodinamicii stabileşte, pe bună dreptate, faptul că procesele ireversibile conduc la o formă de unilateralitate a timpului. Sensul pozitiv al timpului fiind asociat cu creşterea entropiei.
Indiferent ce studiem, de la particulele elementare la procese ce au loc în îndepărtatul şi necunoscutul cosmos, „în loc să găsim stabilitate şi armonie, descoperim procese de evoluţie ce au ca urmare diversificarea şi creşterea complexităţii" . Trăsătura importantă a dinamicii clasice fiind aceea că nu distinge între viitor şi trecut. Ecuaţia fundamentală a mecanicii clasice, ce leagă acceleraţia de forţa F: md2r\dt2=F, este invariabilă faţă de inversarea timpului (+t, - t): ambele mişcări „înainte" şi „înapoi" în timp, sunt posibile. Punctul de vedere static asupra lumii, ce s-a menţinut în istoria gândirii ştiinţifice până târziu, spre începutul secolului XX, avea la bază ideea, postulată de Henri Bergson în Evoluţia creatoare, în 1907, dar şi de alţii, cum că „totul este dat" în fizica clasică, iar în acest context, schimbarea nu este decât o negare a devenirii, iar timpul un parametru, ce rămâne neafectat de transformarea pe care o descrie.
Imaginea unei lumi stabile, o lume care evită procesul devenirii, a rămas un ideal al fizicii teoretice. Ceea ce propune Ilya Prigogine în lucrarea De la existenţă la devenire este, tocmai depăşirea, prin intermediul noilor realităţi pe care le impune fizica cuantică cu mecanica-i aferentă, ideii învechite a fizicii newtoniene, de univers static, închis, un univers al „existenţei fără devenire"şi înlocuirii ei, cu ideea unui univers dinamic, deschis, care să accepte devenirea, alături de teoria schimbării şi entropia, ca un punct de vedere dinamic, în care timpul joacă un rol esenţial, iar conceptul de evoluţie, de asemenea, devine o problemă centrală a înţelegerii universului fizic.
Întrucât, noile descoperiri din fizica particulelor elementare demonstrează complexitatea lumii microscopice, ideea simplităţii acesteia cade, trebuind aşadar, să reevaluăm rolul timpului. Ajungem aici, la formularea tezei principale a lucrării De la existenţă la devenire, care poate fi rezumată în felul următor:
1. Procesele ireversibile sunt la fel de reale ca şi cele reversibile.
2. Procesele ireversibile joacă un rol constructiv, fundamental în lumea fizică, ele stau la baza unor importante procese coerente, care se manifestă cu claritate deosebită la nivel biologic.
3. Ireversibilitatea este înrădăcintă adânc în dinamică. Cu alte cuvinte, ireversibilitatea începe acolo unde sunt puse în discuţie conceptele de bază ale mecanicii clasice sau cuantice .
Faptul că putem găsi rădăcinile unui sens al timpului la baza fizicii şi chimiei, reprezintă unul dintre cele mai interesante aspecte ale teoriilor structurilor disipative (pe care Ilya Prigogine le-a tratat în cap 4 şi 5 ale cărţii sus amintite). Aşadar, conceptul de timp este mult mai complex decât ne-am aşteptat. Timpul, asociat cu mişcarea, a reprezentat numai primul aspect pe care l-am putut încorpora firesc în structurile teoretice ale mecanicii clasice şi cuantice. Ilya Prigogine merge mai departe şi descrie una dintre cele mai surprinzătoare noutăţi: apariţia unui „al doilea timp", un timp cu rădăcini adânci în fluctuaţiile care există la nivel microscopic, dinamic. Acest nou timp nu mai este un simplu parametru în mecanica clasică sau cuantică, el este, mai curând, un operator, asemănător celor care descriu mărimile în mecanica cuantică.
Fizica clasică, chiar prelungită de mecanica cuantică şi relativitate ne-a oferit modele relativ modeste despre evoluţia în timp. Legile deterministe ale fizicii, care la un moment dat erau singurile legi acceptabile, ne apar astăzi, ca şi simplificări grosiere, caricaturi ale evoluţiei. În urma analizelor tehnice, ce ţin de calculele matematice din fizica şi chimia teoretică , metodele de graniţă fiind dezvoltările recente din teoria cinetică, autorul însuşi, în prefaţa cărţii, consideră că „poate cea mai importantă concluzie este că ireversibilitatea începe acolo unde se termină mecanica clasică şi cuantică" . Ireversibilitatea introduce trăsături neaşteptate, care, dacă sunt înţelese adecvat, oferă cheia tranziţiei de la existenţă la devenire.
De asemenea, o altă temă deschisă de Prigogine este că timpul şi schimbarea sunt esenţiale, atât în biologie, cât şi în transformările culturale şi sociale, căci, în contrast cu evoluţia biologică, este tocmai timpul scurt în care acestea se produc (legea antropică). De aceea, amintindu-l pe Niels Bohr, Ilya Prigogine susţine că în reprezentarea lumii fizice noi ne ghidăm de anumite concepte primitive, fapt ce introduce un element de self-conscienţă în reprezentarea noastră a lumii fizice. De exemplu: sistemele lumii vii au un simţ al sensului timpului, pe care experimentele le-au evidenţiat, chiar şi la cele mai simple organisme monocelulare. Acest sens al timpului este unul dintre aceste „concepte primitive" , după care nici o ştiinţă, fie a reversibilităţii timpului, ca dinamica, fie a proceselor ireversibile, nu ar putea exista fără acest sens al timpului.
După modelul propus de Ilya Prigogine, referitor la sensul termodinamic al timpului, distribuţia uniformă de temperatură este un „atractor" puternic pentru distribuţiile iniţiale ale materiei neuniforme. Asemenea, Max Planck a subliniat că principiul al doilea al termodinamicii face cel mai bine, diferenţa între anumite tipuri de stări în natură. După acesta, unele stări acţionează ca nişte „atractori" pentru altele. Ireversibilitatea, fiind expresia acestei atracţii (1930). De altminteri, şi pentru Boltzman, entropia este numărul de microstări. O creştere de entropie, exprimând dezordinea moleculară crescandă, indicată de creşterea numărului de microstări.
Timpul şi dinamica
În dinamica clasică şi în cea cuantică legile fundamentale ale fizicii sunt simetrice în timp. De aceea, ireversibilitatea termodinamică corespunde unei anumite aproximaţii adăugate dinamicii. Ea trebuie să aibă o legătură fundamentală cu natura dinamică a sistemului. În limbaj filosofic, putem lega descrierea dinamicii ,,statice" cu existenţa, ca apoi, prin analiza amănunţită a termodinamicii, cu accentul inovator, pe care îl pune pe ireversibilitate, aceasta poate fi legată de devenire. Apare astfel, discutarea legăturii dintre fizica existenţei, ce cuprinde mecanica clasică şi cuantică şi fizica devenirii, ce cuprinde termodinamica modernă cu problema fundamentală a auto-organizării.
Un aspect important pe care trebuie să-l avem în vedere, atunci când dorim să evidenţiem un anumit sens al timpului, este că timpul reprezintă un număr, atât în mecanica clasică, cât şi în cea cuantică. Din acest motiv, şi rolul proceselor ireversibile devine mult mai important, când trecem la fenomene biologice şi sociale. Chiar în celulele cele mai simple, funcţia metabolică include mii de reacţii chimice cuplate, şi în consecinţă, necesită un mecanism delicat de coordonare şi reglare a acestora. Avem nevoie de o organizare funcţională extrem de complicată, mai mult chiar, reacţiile metabolice cer catalizatori specifici. Ex: enzimele, care sunt molecule mari, ce posedă o organizare spaţială pe care organismul trebuie sa fie capabil să le sintetizeze. Catalizatorul este, în acest caz, o substanţă ce accelerează o anumită reacţie chimică, dar nu este consumată în reacţii. Ne apare astfel, imaginea biologică a lui Aristotel, vizavi de structurile disipaitive, ce explicitează eterogenitatea spaţiului şi timpului. Observăm deci, că instabilităţile chimice implică o anumită ordine la distanţă, prin intermediul căreia sistemul acţionează ca un tot.
Această comportare globală modifică profund, însăşi semnificaţia spaţiului şi timpului. În teoria auto-organizării, un rol important îl joacă stabilitatea de structură. Ex: ideea ,,catalizei încrucişate" a lui Manfred Eigen, după care, se consideră că nucleotidele din celule produc proteina, care la rândul lor produc nucleotide. Acesta este un hiper-ciclu.
În chimia cuantică, apariţia unei reacţii periodice este un proces realizat prin violarea simetriei timpului, exact cum feromagnetismul este un proces realizat prin violarea simetriei spaţiale. Un sistem suficient de complex se află, în general, într-o stare metastabilă; amortizarea reacţiilor periodice, prin intermediul reacţiilor care au loc pe frontierele regiunii fluctuante ale sistemului, determină limitarea complexităţii. Bifurcaţiile pot genera noi tranziţii de non-echilibru. Înţelegerea sensului mircoscopic al entropiei, reprezentând astfel, expresia statistică a entropiei, iar ireversibilitatea un organism care violează simetria.
Nu întâmplător, după cum relatează Prigogine în De la existenţă la devenire, Einstein îi răspunde lui Besso că ,,ireversibilitatea este o iluzie, o impresie subiectivă care îşi are originea în condiţiile iniţiale excepţionale" . La 80 de ani, în Archives des Sciences, în Geneva, Besso publică o tentativă de a reconcilia ireversibilitatea timpului cu relativitatea generală. Lui Einstein, nu i-a plăcut încercarea sa, şi-i răspunde: ,,Te afli pe un teren prea alunecos. Nu există ireversibilitate în legile fundamentale ale fizicii. Trebuie să accepţi ideea că timpul subiectiv, cu accentul său pe prezent, nu are semnificaţie obiectivă " .
Ireversibilitatea: elementul fundamental al descrierii lumii fizice
Simetria timpului în dinamică, poate fi violată pe două căi: viaţa presupune o distincţie între trecut şi viitor. Organismele monocelulare, ca ameoba, se deplasează din medii sărace în hrană spre medii bogate în hrană, deci până şi aceste organisme anticipează viitorul prin intermediul semnalelor primite de la mediul înconjurător. Când studiem legi temporal- reversibile ale dinamicii, facem distincţie între trecut şi viitor, de exemplu: între precizarea poziţiei lunii în viitor, sau calculul poziţiei ei în trecut. Aşadar, distincţia dintre trecut şi viitor este, în acest caz, un concept primitiv care, într-un anume sens, precede activitatea ştiinţifică.
Pentru a înţelege mai bine problema ireversibilităţii timpului analizată de Illya Prigogine, împreună cu colaboratorii săi, redăm aici o schemă sumativă, folosită de autor în lucrare:
Observator
(distincţie între trecut şi viitor) ..................................... > dinamică
+
Ireversibilitate
+
Simetrie temporală violată .......................................> structuri disipative
Existenţa proceselor reversibile la nivel mircoscopic, aşa cum este descrisă în ecuaţiile cinetice, violează simetria ecuaţiilor, iar structurile disipative pot, la rândul lor, viola simetriile spaţiu-timp. Remarcăm, totodată, faptul că reversibilitatea teoretică provine din utilizarea idealizărilor din mecanica clasică sau cuantică, care depăşesc posibilitaţile de măsurare efectuate cu oarece precizie finită. Ireversibilitatea care o observăm nu este o trasătură a teoriilor care ţin seama, în mod corespunzător, de natura şi limitările observatorului. Realizând limitarea crescândă a legilor deterministe, înseamnă că trecem de la un univers închis, în care totul este dat, la un univers nou, deschis fluctuaţiilor şi inovaţiilor .
În veacul al XIX- lea, tema timpului a capătat o importanţă deosebită. În toate domeniile se descoperă caracterul esenţial al timpului. Evoluţia formaţiilor geologice, a speciilor, a societăţii, a moralei, gustului, limbajelor etc. Forma specifică în care se introduce timpul în fizică, adică evoluţia spre omogenitate şi moarte, reprezintă ecoul unor foarte vechi arhetipuri şi mituri, observate în repercursiunile culturale ale istoriei. Obsesia, privind epuizarea stocurilor şi oprirea motoarelor, în ideea unui ireversibil declin, traduc această angoasă a lumii moderne. Producerea de entropie dezvăluie o evoluţie ireversibilă a sistemului, şi conduc inevitabil, către înţelegerea faptului de ce majoritatea evoluţiilor naturale sunt intrinsec ireversibile. Termodinamica lui Claudius nu dă o semnificaţie fizică precisă, decât transformărilor reversibile: creşterea entropiei indică o evoluţie spontană a sistemului, entropia devine, astfel, un indicator de evoluţie şi exprimă existenţa, în fizică, a unei ,,săgeţi a timpului". Aceasta presupune că pentru orice sistem izolat, viitorul este direcţia în care creşte entropia.
Ireversibilitatea definită negativ, nu apare decât ca o evoluţie ,,necontrolată", care se produce de fiecare dată când sistemul scapă de sub control. Natura ,,favorizează" astfel, anumite stări, iar creşterea ireversibilă a entropiei descrie apropierea sistemului spre o stare care ,,îl atrage", pe care o preferă, şi de care nu se va îndeparta spontan. Este practic, exclus ca o stare sa fie reprodusă, dată fiind, varietatea de stări şi de comportări dinamice, realizate într-un sistem de 1023 particule. Creşterea entropiei nu descrie sistemul însuşi, ci doar cunoaşterea de către noi, a sistemului. Ea reprezintă degradarea informaţiei, disponibile iniţial, şi este mai departe de echilibru, cu cât îl cunoaştem mai bine, şi de asemenea, îl putem defini cu mai multă precizie, cu cât putem să îl şi situăm într-o regiune mai restransă din spaţiul fazelor (de expansiune şi contracţie). Ireversibilitatea nu este deci, o proprietate universală.
Dinamica şi termodinamica necesită, prin urmare, definirea unui criteriu fizic de diferenţiere între sisteme. Creşterea ireversibilă a entropiei a fost asociată cu ideea unei manipulări imperfecte, pe plan ideal, a lipsei de control asupra operaţiilor care ar fi fost reversibile, faţă de risipa şi pieriderea de randament, care ar rezulta din arderile implicate în prosesul expansiunii universului. Fenomenul cuantic presupune, după cum bine se observă, ireversibilitate. Aceasta este, totuşi, o interpretare subiectivistă a ireversibilităţii, văzută ca şi o creştere a ignoranţei umane.
Cronometrarea spaţiului şi vârtejul timpului
Timpul se scurge într-o singură direcţie: din trecut spre viitor. Nu putem manipula timpul, nici nu putem calători înapoi, în trecut. Nu întâmplător, visul alchimiştilor chinezi era să acţioneze asupra timpului, să atingă nemurirea printr-o încetinire radicală a procesului de descompunere naturală. De asemenea, în spaţiul esoteric european, alchimiştii căutau să înfăptuiască acea Opera Magna, adică manipularea ultimă a materiei, în vederea obţinerii prafului monoatomic de aur, prin sublimarea progresivă şi prin combinarea provizorie a esenţelor, extrase din următoarele elemente: mercur (mercur filosofal), sulf (sulf filosofal), sare, argint etc. Sunt deci, nenumărate exemple de alchimişti care au căutat să păcălească perisabilitatea materiei, prin încropirea unui artefact mitologic, cunoscut sub numele de ,,piatră filosofală". Contele de Saint Germain, Paracelsus (care este recunoscut ca şi părinte al alchimiei în Europa), Cornelius Aggrippa ş.a.m.d. Despre primul, se arată în mod foarte straniu, câteva dovezi ale unor apariţii ale acestuia, în persoana sa, în intervale mari şi diferite de timp, de-alungul istoriei .
Ceea ce observăm, analizând strict ştiinţific problema, este că timpul nu ne opune pe noi universului, pentru că timpul cosmic şi cel uman sunt inseparabili. Timpul, inclusiv ireversibilitatea, exprimă o structură intrinsecă, un fel de polarizare a universului, care este adusă la nivel macroscopic de legea a II-a a termodinamicii. Această polarizare îşi are originea în dezordinea de la nivelul traiectoriei dinamice (sau a funcţiilor ondulatoriii mecanico-cuantice). Structura temporală apare în afara acestui caracter întâmplător, şi odată cu ea, apare şi ireversibilitatea cu strcuturile disipative. Existenţa timpului orientat constituie însăşi presupoziţia pe care se sprijină toate formele de activitate sau evoluţie.
Entropia şi săgeata timpului
Un aspect important a celei de-a II-a legi a termodinamicii, constă tocmai în relaţia sa apropiată cu limitele acţiunii noastre asupra lumii fizice. Originea istorică a celei de a II-a legi a temodinamicii, constă în înţelegrea faptului că avem nevoie de surse, la temperaturi diferite, pentru a putea produce lucrul mecanic. O singură sursă nu poate acţiona ca un motor termic, de unde rezultă imposibilitatea unei mişcări perpetue de categoria a-II-a. Cea de-a doua lege a termodinamicii exprimă existenţa schimburilor de entropie necontrolabile, asociate cu procesele ireversibile. Uitarea condiţiilor iniţiale se exprimă prin existenţa unei funcţii care schimbă monoton entropia. Entropia la echilibru acţionează ca un atractor, iar starea de entropie maximă atrage un sistem izolat din toate stările mai mici de entropie. Creşterea entropiei este asociată de o săgeată a timpului; entropia în viitor este mai mare decât entropia în trecut. Putem avea o săgeată a timpului fără existenţa unui atractor ca entropia, şi invers, putem avea entropie fără o săgeată a timpului. Dacă presupunem că universul a început cu ,,marea bubuitură", avem de-a face cu o săgeată cosmologică .
Sensul timpului în geneza şi soarta universului
Trecem acum spre analiză, urmărind descoperirea, sau măcar clarificarea ipotetică a sensului timpului în universul fizic, modelul înţelegerii şi descrierii timpului, propus, începând încă de prin anii 70, de către celebrul fizician şi cosmolog, Stephen Hawking. După Hawking, aşa cum didactic explică, în cunoscuta sa lucrare, O scurtă istorie a timpului (De la big-bang la găurile negre), carte devenită bestseler în domeniu, atât Aristotel, cât şi Newton credeau în timpul absolut. Ei credeau că intervalul de timp dintre două evenimente se poate măsura fără ambiguitate şi că acest timp, ar fi acelaşi, indiferent cine l-ar măsura, cu condiţia să aibă ,,un ceas bun". Timpul era complet separat de spaţiu şi independent de acesta. Postulatul fundamental al teoriei relativităţii era că legile ştiinţei trebuie să fie aceleaşi pentru orice observator care se mişcă liber, indiferent de viteza lor. O consecinţă a teoriei este modul în care ea a revoluţionat ideile noastre despre spaţiu şi timp.
În teoria lui Newton, dacă un impuls de lumină este trimis dintr-un loc în altul, diferiţi observatori ar fi de-acord asupra timpului necesar pentru acea deplasare, dar nu va fi de-acord întodeauna asupra distanţei parcurse de lumină, deoarece spaţiul nu este absolut. Întrucât viteza luminii este raportul dintre distanta pe care a parcurs-o şi timpul necesar pentru aceasta, observatori diferiţi vor măsura viteze diferite ale luminii. În realitate, toţi observatorii trebuie să fie de-acord asupra vitezei luminii. Altfel spus, teoria relativităţii pune capăt timpului absolut. Distanţa la care se produce evenimentul trebuie să fie jumătate din timpul pentru această deplasare dus-intors, înmulţit cu viteza luminii. Timpul nu este complet separat şi independent de spaţiu, ci se combina cu acesta, formând un obiect numit spaţiu-timp. Întregul univers se poate descrie, aşadar, printr-o colecţie de zone care se suprapun. În fiecare zonă, pentru a specifica poziţia unui punct, se poate utiliza un set diferit de trei coordonate (L, l, h).
Pentru a putea înţelege mai bine ceea ce Hawking vrea să ne spună în legătură cu timpul, trebuie să precizăm de la început termenii pe care îi va folosi ca pe nişte puncte de referinţă în lucrarea sa: eveniment, spaţiu-timp, con de lumină viitor, con de lumină trecut, altundeva, trecut absolut, viitor absolut, prezent. Toţi aceşti termeni folosiţi, aproape în mod poetic de către Hawking, pentru a reda problema timpului, îi vom explica în cele ce urmează.
Aşadar, ceea ce se întâmplă într-un anumit punct din spaţiu şi într-un anumit moment, reprezintă un eveniment. Acesta nu poate fi specificat prin patru numere sau coordonate, căci, în teoria relativităţii nu există distincţie reală între coordonatele spaţiale şi temporale, exact aşa cum nu există o diferenţă reală între oricare două coordonate spaţiale. Este util să se ia în considerare cele patru coordonate, ce specifică poziţia sa într-un spaţiu cvadridimensional, numit spaţiu-timp, (vezi fig.1, la anexe).
Aşadar: Conurile de lumină trecut şi viitor ale evenimentului P, împart spaţiul-timpul în trei regiuni:
l. viitorul absolut (din interiorul conului de lumină viitor a lui P). El este setul tuturor evenimentelor care pot fi afectate de ceea ce se întâmplă în P.
2. trecutul absolut (regiunea din interiorul conului de lumină trecut). El este sediul tuturor evenimentelor ale căror semnale se deplasează la, sau, sub viteza luminii, şi pot ajunge în P. Sediul tuturor evenimentelor care pot efecta ceea ce se întamplă în P.
3. regiunea altundeva (în care nu se găseşte în conul de lumină viitor şi trecut al lui P). Evenimentele din această regiune nu pot fi afectate de evenimentele din P. Astfel, când privim universul îl vedem aşa cum a fost el în trecut.
Ideea de la care pleacă Hawking, în lucrarea sa, este că pentru fiecare eveniment în spaţiu şi timp putem construi un con de lumină (acesta fiind sediul tuturor traiectoriilor posibile ale luminii în spaţiu-timp, emise de evenimentul P). Einstein a emis ipoteza revoluţionară, cum că gravitaţia nu este o forţă, ca celelalte forţe, ci este o consecinţă a faptului că spaţiu-timpul nu este plan, ci curbat, sau, mai exact „înfăşurat" de distribuţia masei şi energiei în el. În teoria relativităţii generalizate, corpurile urmează întotdeauna, linii drepte în spaţiu-timpul cvadri-dimensional. Masa soarelui curbează spaţiul-timp, astfel încât, deşi pământul urmează o linie dreaptă în spaţiul-timp cvadridimensional, nouă ni se pare că se mişcă de-alungul unei orbite circulare, în spaţiul tridimensional. Relativitatea generalizată prezice că axa lungă a elipsei trebuie să se rotească în jurul soarelui cu o valoare de circa un grad în 10.000 de ani. Razele de lumină trebuie să urmeze linii geodezice în spaţiu-timp. Deci, relativitatea generalizată prezice că lumina trebuie să fie curbată în câmpurile gravitaţionale.
O altă precizare a relativităţii generalizate este că timpul trebuie să pară că trece mai încet pe lângă un corp masiv, ca Pământul. Aceasta, deoarece există o relaţie între energia luminii şi frecvenţa sa (numărul de unde de lumină, pe secundă). Cu cât este mai mare energia, cu atât este mai mare frecvenţa. Atunci când lumina se propagă în sus, în câmpul gravitaţional al Pămantului, ea pierde energie şi astfel, frecvenţa sa scade. Pentru cineva aflat la înălţime, ar părea că tot ce se întâmpă jos necesită un timp mai lung. În teoria relativitaţii generalizate nu există un timp absolut unic, dar în schimb, fiecare individ are propria sa măsură a timpului, care depinde de locul către care se deplasează şi de modul în care se deplasează. Vechea idee despre universul în esenţă neschimbător şi care a existat, a fost înlocuită, pentru totdeauna, cu noţiunea de univers dinamic, în expansiune, care pare să fi început la un moment finit, în trecut, şi care ar putea să se termine la un moment finit, în viitor.
Sensul timpului
Creşterea entropiei cu timpul reprezintă un exemplu de sens al timpului, ceva care diferenţiează trecutul de viitor, dând timpului o direcţie, cu trei sensuri diferite:
A. Sensul termodinamic- direcţia timpului în care dezordinea creşte.
B. Sensul psihologic al timpului- direcţia în care noi simţim trecerea timpului, ne reamintim trecutul, dar nu şi viitorul.
C. Sensul cosmologic - direcţia timpului în care universul se extinde, nu se contractă.
Toate cele trei sensuri sunt îndreptate spre aceiaşi direcţie. Sensul psihologic este terminat de sensul termodinamic necesar în aceeasi direcţie. A doua lege a termodinamicii rezultă din faptul că există întodeauna mai multe stări dezordonate decât ordonate. Pe măsură ce trece timpul, sistemul va evolua comform legilor ştiintei şi starea sa se va schimba. Dezordinea va ţine să crească cu timpul, dacă sistemul satisface o stare iniţială foarte ordonată.
Sensul psihologic al timpului pentru inteligenţa artificială e acelaşi ca şi pentru fiinţele umane. Memoria interacţionează cu sistemul ce va fi într-o stare sau alta, conform cu sensul timpului ordonat sau dezordonat. Sensul nostru subiectiv al direcţiei timpului, ca şi sens psihologic al timpului, este determiant în creierul nostru de sensul termodinamic al timpului. La fel ca un computer, noi ne amintim lucrurile în ordinea care creşte entropia. Dezordinea creşte cu timpul deoarece noi măsurăm timpul în direcţia în care dezordinea creşte.
Teoria clasică a relativităţii generalizate nu poate preciza modul în care universul ar fi început, deoarece niciuna din legile cunoscute nu ar mai funcţiona la singularitatea big-bangului. Universul ar putea fi început într-o stare foarte omogenă şi ordonată, aceasta ar fi condus la sensuri termodinamice şi cosmologice bine definite ale timpului. La fel de bine, s-ar fi putut începe de la o stare neomogenă şi dezordonată. Dezordinea, astfel, nu ar putea să crească cu timpul, caz în care, sensul termodinamic ar fi un sens propus celui cosmologic. Atunci când curbura spaţiu-timp devine prea mare, efectele gravitaţionale cuantice vor deveni importante şi teoria clasică va înceta să fie o descriere bună a universului.
Pentru a înţelege cum anume, a început universul, trebuie să se utilizeze o teorie cuantică a gravitaţiei. Iniţial, universul nu ar fi putut fi complet uniform, deoarece aceasta ar fi încălcat princpiul de incertitudine a lui Heisenberg, din teoria cuantică. Trebuie să fi existat fluctuaţii mici ale densităţii şi vitezelor particulelor. Totuşi, condiţia fazei-limite înseamnă că aceste fluctuaţii erau cât se poate de mici, conform principiului de incertitudine. Universul trebuie să fi început cu o perioadă de expansiune exponenţială, sau inflaţionistă, în care şi-ar fi mărit dimensiunea, cu un factor foarte mare. Vorbim deci, despre trecerea dintr-o stare omogenă, ordonată, la una neomogenă, dezordonată, şi în care avem, bineînţeles, o situaţie de ,,colaps al unei stele", echivalentul găurelor negre.
În acest sens, Stephen Hawking afirma în O scurtă istorie a timpului, astfel: ,,la început, am crezut că dezordinea ar descreşte când universul ar suferi din nou un colaps. Deoarece credeam că universul trebuia să se întoarcă la o stare omogenă şi ordonată, atunci ar deveni din nou mic. Aceasta ar însemna ca faza de contracţie ar fi ca inversarea timpului fazei de expansiune. În faza de contracţie oamenii şi-ar trăi vieţile înapoi: ar muri înainte de a se fi născuţi şi ar deveni mai tineri pe măsură ce universul se contractă" . Simetriile între fazele de expansiune şi contracţie sau dovedit, deci, a fi false. Hawking şi-a dat seama că făcuse o greşeală, abia după ce s-a consultat cu studenţii săi, Don Page şi Raymond Laflamne, care îi sugerase ideea de condiţie ,,fără limite" , ce ar explica, cum că dezordinea ar continua, de fapt, să crească şi în timpul contracţiei. Sensurile termodinamic şi psihologic al timpului nu s-ar inversa când universul ar începe să se contracte din nou, sau în interiorul găurilor negre.
Principiul antropic slab
În finalul lucrării se cuvine să explicăm, pe scurt, cum anume influenţează sensul timpului, cu tot ceea ce implică acest lucru, lumea vie, şi în special, fiinţa umană? Aşadar, fizicienii au ajuns, în cele din urmă, la următoarea concluzie: pentru ca viaţa inteligentă să funcţioneze este necesar un sens termodinamic al timpului. Cu alte cuvinte, sensul termodinamic al timpului ar fi condiţia necesar suficientă pentru a putea să se dezvolte în univers viaţă inteligentă şi bine organizată. Pentru a supravieţui, fiinţele trebuie să consume hrană, care este o formă ordonată de energie şi pe care o transformă în căldură, care este o formă dezordonată de energie. Astfel, viaţa inteligentă nu ar putea exista în faza de contracţie a universului.
Aceasta explică de ce sensurile termodinamice şi cosmologice ale timpului sunt îndreptate în aceeaşi direcţie. Condiţia ,,fără limite", pe care studenţii lui Hawking, i-au sugerat-o, după care, acesta îşi reabilitase teroriile despre expansiunea şi contracţia universului, determină tocmai creşterea dezordinii, sugerând, de asemenea, care sunt condiţiile adecvate pentru viaţa inteligentă, anume, numai în faza de expansiune. Motivul pentru care noi observăm că sensul termodinamic concordă cu sensul cosmologic, explică şi faptul de ce fiinţele inteligente pot exista numai în faza de expansiune. De aceea, faza de contracţie va fi necorespunzătoare, întrucât nu are un sens termodinamic puternic, al timpului.
Bibliografie:
1. Illya Prigogine, De la existenţă la devenire (Timp şi complexitate în ştiintele fizicii), trad.Vasile Vasilescu şi Alexandra Boicu, Editura Ştiinţifică Bucureşti, 1992.
2. Illya Prigogine şi Isabelle Stengers, Noua Alianţă (Metamorfoza ştiinţei) Trad.Cristina Boicu şi Zoe Manolescu, Ed. Politică, Bucureşti, 1994.
3. Stephen Hawking, Scurtă istorie a timpului (De la big-bang la găurile negre), Ed.Humanitas, Trad. Mihaela Ciodaru, Bucureşti, 1994.
4. Stephen Hawking, Einstein si alte eseuri (interviuri), trad. Mihaela Ciodaru, Bucureşti, 2001.
5. Carl Gustave Jung, Psihologie şi Alchimie, Ed.Humanitas, Bucureşti, 2003.
Ilya Prigogine, în celebra lucrare, De la existenţă la devenire, apărută în 1980, iar la noi, mai târziu, în 1992, analizează cu profund interes, problema timpului, pornind, în mod special, de la principiul al doilea al termodinamicii, a lui Rudolf Clausius. Demersul analitic al autorului vizează, oarecum programatic, surprinderea şi descrierea anumitor procese, variaţii, stări, structuri, fluctuaţii, operaţii, din fizică, şi nu numai, sub semnul dialecticii existenţă-devenire. Comparând cele două modele fundamentale ale Universului: newtonian şi einteinian, de la care au pornit majoritatea savanţilor, în imaginarea tuturor celorlalte modele posibile, Ilya Prigogine observă că universul newtonian este unul al existenţei fără devenire, iar cel einsteinian, oarecum în opoziţie cu cel galileo-newtonian, un univers al timpului ca devenire.
În acest context, dinamica newtoniană descrie procese în care sensul timpului nu prea mai are importanţă, iar termodinamica îşi dezvăluie implacabil, unilateralitatea. De asemenea, principiul al doilea al termodinamicii în varianta sa clasică rezumă, în mod surprinzător, caracteristicile unor astfel de procese. Aşadar, creşterea monotonă a entropiei până ce se atinge valoarea maximă, în starea ei de echilibru termodinamic, face distincţia fundamentală între procesele reversibile şi cele ireversibile. Întrucât, numai procesele ireversibile contribuie la producţia de entropie, ex: reacţii chimice, conducţia căldurii şi difuzia, principiul al doilea al termodinamicii stabileşte, pe bună dreptate, faptul că procesele ireversibile conduc la o formă de unilateralitate a timpului. Sensul pozitiv al timpului fiind asociat cu creşterea entropiei.
Indiferent ce studiem, de la particulele elementare la procese ce au loc în îndepărtatul şi necunoscutul cosmos, „în loc să găsim stabilitate şi armonie, descoperim procese de evoluţie ce au ca urmare diversificarea şi creşterea complexităţii" . Trăsătura importantă a dinamicii clasice fiind aceea că nu distinge între viitor şi trecut. Ecuaţia fundamentală a mecanicii clasice, ce leagă acceleraţia de forţa F: md2r\dt2=F, este invariabilă faţă de inversarea timpului (+t, - t): ambele mişcări „înainte" şi „înapoi" în timp, sunt posibile. Punctul de vedere static asupra lumii, ce s-a menţinut în istoria gândirii ştiinţifice până târziu, spre începutul secolului XX, avea la bază ideea, postulată de Henri Bergson în Evoluţia creatoare, în 1907, dar şi de alţii, cum că „totul este dat" în fizica clasică, iar în acest context, schimbarea nu este decât o negare a devenirii, iar timpul un parametru, ce rămâne neafectat de transformarea pe care o descrie.
Imaginea unei lumi stabile, o lume care evită procesul devenirii, a rămas un ideal al fizicii teoretice. Ceea ce propune Ilya Prigogine în lucrarea De la existenţă la devenire este, tocmai depăşirea, prin intermediul noilor realităţi pe care le impune fizica cuantică cu mecanica-i aferentă, ideii învechite a fizicii newtoniene, de univers static, închis, un univers al „existenţei fără devenire"şi înlocuirii ei, cu ideea unui univers dinamic, deschis, care să accepte devenirea, alături de teoria schimbării şi entropia, ca un punct de vedere dinamic, în care timpul joacă un rol esenţial, iar conceptul de evoluţie, de asemenea, devine o problemă centrală a înţelegerii universului fizic.
Întrucât, noile descoperiri din fizica particulelor elementare demonstrează complexitatea lumii microscopice, ideea simplităţii acesteia cade, trebuind aşadar, să reevaluăm rolul timpului. Ajungem aici, la formularea tezei principale a lucrării De la existenţă la devenire, care poate fi rezumată în felul următor:
1. Procesele ireversibile sunt la fel de reale ca şi cele reversibile.
2. Procesele ireversibile joacă un rol constructiv, fundamental în lumea fizică, ele stau la baza unor importante procese coerente, care se manifestă cu claritate deosebită la nivel biologic.
3. Ireversibilitatea este înrădăcintă adânc în dinamică. Cu alte cuvinte, ireversibilitatea începe acolo unde sunt puse în discuţie conceptele de bază ale mecanicii clasice sau cuantice .
Faptul că putem găsi rădăcinile unui sens al timpului la baza fizicii şi chimiei, reprezintă unul dintre cele mai interesante aspecte ale teoriilor structurilor disipative (pe care Ilya Prigogine le-a tratat în cap 4 şi 5 ale cărţii sus amintite). Aşadar, conceptul de timp este mult mai complex decât ne-am aşteptat. Timpul, asociat cu mişcarea, a reprezentat numai primul aspect pe care l-am putut încorpora firesc în structurile teoretice ale mecanicii clasice şi cuantice. Ilya Prigogine merge mai departe şi descrie una dintre cele mai surprinzătoare noutăţi: apariţia unui „al doilea timp", un timp cu rădăcini adânci în fluctuaţiile care există la nivel microscopic, dinamic. Acest nou timp nu mai este un simplu parametru în mecanica clasică sau cuantică, el este, mai curând, un operator, asemănător celor care descriu mărimile în mecanica cuantică.
Fizica clasică, chiar prelungită de mecanica cuantică şi relativitate ne-a oferit modele relativ modeste despre evoluţia în timp. Legile deterministe ale fizicii, care la un moment dat erau singurile legi acceptabile, ne apar astăzi, ca şi simplificări grosiere, caricaturi ale evoluţiei. În urma analizelor tehnice, ce ţin de calculele matematice din fizica şi chimia teoretică , metodele de graniţă fiind dezvoltările recente din teoria cinetică, autorul însuşi, în prefaţa cărţii, consideră că „poate cea mai importantă concluzie este că ireversibilitatea începe acolo unde se termină mecanica clasică şi cuantică" . Ireversibilitatea introduce trăsături neaşteptate, care, dacă sunt înţelese adecvat, oferă cheia tranziţiei de la existenţă la devenire.
De asemenea, o altă temă deschisă de Prigogine este că timpul şi schimbarea sunt esenţiale, atât în biologie, cât şi în transformările culturale şi sociale, căci, în contrast cu evoluţia biologică, este tocmai timpul scurt în care acestea se produc (legea antropică). De aceea, amintindu-l pe Niels Bohr, Ilya Prigogine susţine că în reprezentarea lumii fizice noi ne ghidăm de anumite concepte primitive, fapt ce introduce un element de self-conscienţă în reprezentarea noastră a lumii fizice. De exemplu: sistemele lumii vii au un simţ al sensului timpului, pe care experimentele le-au evidenţiat, chiar şi la cele mai simple organisme monocelulare. Acest sens al timpului este unul dintre aceste „concepte primitive" , după care nici o ştiinţă, fie a reversibilităţii timpului, ca dinamica, fie a proceselor ireversibile, nu ar putea exista fără acest sens al timpului.
După modelul propus de Ilya Prigogine, referitor la sensul termodinamic al timpului, distribuţia uniformă de temperatură este un „atractor" puternic pentru distribuţiile iniţiale ale materiei neuniforme. Asemenea, Max Planck a subliniat că principiul al doilea al termodinamicii face cel mai bine, diferenţa între anumite tipuri de stări în natură. După acesta, unele stări acţionează ca nişte „atractori" pentru altele. Ireversibilitatea, fiind expresia acestei atracţii (1930). De altminteri, şi pentru Boltzman, entropia este numărul de microstări. O creştere de entropie, exprimând dezordinea moleculară crescandă, indicată de creşterea numărului de microstări.
Timpul şi dinamica
În dinamica clasică şi în cea cuantică legile fundamentale ale fizicii sunt simetrice în timp. De aceea, ireversibilitatea termodinamică corespunde unei anumite aproximaţii adăugate dinamicii. Ea trebuie să aibă o legătură fundamentală cu natura dinamică a sistemului. În limbaj filosofic, putem lega descrierea dinamicii ,,statice" cu existenţa, ca apoi, prin analiza amănunţită a termodinamicii, cu accentul inovator, pe care îl pune pe ireversibilitate, aceasta poate fi legată de devenire. Apare astfel, discutarea legăturii dintre fizica existenţei, ce cuprinde mecanica clasică şi cuantică şi fizica devenirii, ce cuprinde termodinamica modernă cu problema fundamentală a auto-organizării.
Un aspect important pe care trebuie să-l avem în vedere, atunci când dorim să evidenţiem un anumit sens al timpului, este că timpul reprezintă un număr, atât în mecanica clasică, cât şi în cea cuantică. Din acest motiv, şi rolul proceselor ireversibile devine mult mai important, când trecem la fenomene biologice şi sociale. Chiar în celulele cele mai simple, funcţia metabolică include mii de reacţii chimice cuplate, şi în consecinţă, necesită un mecanism delicat de coordonare şi reglare a acestora. Avem nevoie de o organizare funcţională extrem de complicată, mai mult chiar, reacţiile metabolice cer catalizatori specifici. Ex: enzimele, care sunt molecule mari, ce posedă o organizare spaţială pe care organismul trebuie sa fie capabil să le sintetizeze. Catalizatorul este, în acest caz, o substanţă ce accelerează o anumită reacţie chimică, dar nu este consumată în reacţii. Ne apare astfel, imaginea biologică a lui Aristotel, vizavi de structurile disipaitive, ce explicitează eterogenitatea spaţiului şi timpului. Observăm deci, că instabilităţile chimice implică o anumită ordine la distanţă, prin intermediul căreia sistemul acţionează ca un tot.
Această comportare globală modifică profund, însăşi semnificaţia spaţiului şi timpului. În teoria auto-organizării, un rol important îl joacă stabilitatea de structură. Ex: ideea ,,catalizei încrucişate" a lui Manfred Eigen, după care, se consideră că nucleotidele din celule produc proteina, care la rândul lor produc nucleotide. Acesta este un hiper-ciclu.
În chimia cuantică, apariţia unei reacţii periodice este un proces realizat prin violarea simetriei timpului, exact cum feromagnetismul este un proces realizat prin violarea simetriei spaţiale. Un sistem suficient de complex se află, în general, într-o stare metastabilă; amortizarea reacţiilor periodice, prin intermediul reacţiilor care au loc pe frontierele regiunii fluctuante ale sistemului, determină limitarea complexităţii. Bifurcaţiile pot genera noi tranziţii de non-echilibru. Înţelegerea sensului mircoscopic al entropiei, reprezentând astfel, expresia statistică a entropiei, iar ireversibilitatea un organism care violează simetria.
Nu întâmplător, după cum relatează Prigogine în De la existenţă la devenire, Einstein îi răspunde lui Besso că ,,ireversibilitatea este o iluzie, o impresie subiectivă care îşi are originea în condiţiile iniţiale excepţionale" . La 80 de ani, în Archives des Sciences, în Geneva, Besso publică o tentativă de a reconcilia ireversibilitatea timpului cu relativitatea generală. Lui Einstein, nu i-a plăcut încercarea sa, şi-i răspunde: ,,Te afli pe un teren prea alunecos. Nu există ireversibilitate în legile fundamentale ale fizicii. Trebuie să accepţi ideea că timpul subiectiv, cu accentul său pe prezent, nu are semnificaţie obiectivă " .
Ireversibilitatea: elementul fundamental al descrierii lumii fizice
Simetria timpului în dinamică, poate fi violată pe două căi: viaţa presupune o distincţie între trecut şi viitor. Organismele monocelulare, ca ameoba, se deplasează din medii sărace în hrană spre medii bogate în hrană, deci până şi aceste organisme anticipează viitorul prin intermediul semnalelor primite de la mediul înconjurător. Când studiem legi temporal- reversibile ale dinamicii, facem distincţie între trecut şi viitor, de exemplu: între precizarea poziţiei lunii în viitor, sau calculul poziţiei ei în trecut. Aşadar, distincţia dintre trecut şi viitor este, în acest caz, un concept primitiv care, într-un anume sens, precede activitatea ştiinţifică.
Pentru a înţelege mai bine problema ireversibilităţii timpului analizată de Illya Prigogine, împreună cu colaboratorii săi, redăm aici o schemă sumativă, folosită de autor în lucrare:
Observator
(distincţie între trecut şi viitor) ..................................... > dinamică
+
Ireversibilitate
+
Simetrie temporală violată .......................................> structuri disipative
Existenţa proceselor reversibile la nivel mircoscopic, aşa cum este descrisă în ecuaţiile cinetice, violează simetria ecuaţiilor, iar structurile disipative pot, la rândul lor, viola simetriile spaţiu-timp. Remarcăm, totodată, faptul că reversibilitatea teoretică provine din utilizarea idealizărilor din mecanica clasică sau cuantică, care depăşesc posibilitaţile de măsurare efectuate cu oarece precizie finită. Ireversibilitatea care o observăm nu este o trasătură a teoriilor care ţin seama, în mod corespunzător, de natura şi limitările observatorului. Realizând limitarea crescândă a legilor deterministe, înseamnă că trecem de la un univers închis, în care totul este dat, la un univers nou, deschis fluctuaţiilor şi inovaţiilor .
În veacul al XIX- lea, tema timpului a capătat o importanţă deosebită. În toate domeniile se descoperă caracterul esenţial al timpului. Evoluţia formaţiilor geologice, a speciilor, a societăţii, a moralei, gustului, limbajelor etc. Forma specifică în care se introduce timpul în fizică, adică evoluţia spre omogenitate şi moarte, reprezintă ecoul unor foarte vechi arhetipuri şi mituri, observate în repercursiunile culturale ale istoriei. Obsesia, privind epuizarea stocurilor şi oprirea motoarelor, în ideea unui ireversibil declin, traduc această angoasă a lumii moderne. Producerea de entropie dezvăluie o evoluţie ireversibilă a sistemului, şi conduc inevitabil, către înţelegerea faptului de ce majoritatea evoluţiilor naturale sunt intrinsec ireversibile. Termodinamica lui Claudius nu dă o semnificaţie fizică precisă, decât transformărilor reversibile: creşterea entropiei indică o evoluţie spontană a sistemului, entropia devine, astfel, un indicator de evoluţie şi exprimă existenţa, în fizică, a unei ,,săgeţi a timpului". Aceasta presupune că pentru orice sistem izolat, viitorul este direcţia în care creşte entropia.
Ireversibilitatea definită negativ, nu apare decât ca o evoluţie ,,necontrolată", care se produce de fiecare dată când sistemul scapă de sub control. Natura ,,favorizează" astfel, anumite stări, iar creşterea ireversibilă a entropiei descrie apropierea sistemului spre o stare care ,,îl atrage", pe care o preferă, şi de care nu se va îndeparta spontan. Este practic, exclus ca o stare sa fie reprodusă, dată fiind, varietatea de stări şi de comportări dinamice, realizate într-un sistem de 1023 particule. Creşterea entropiei nu descrie sistemul însuşi, ci doar cunoaşterea de către noi, a sistemului. Ea reprezintă degradarea informaţiei, disponibile iniţial, şi este mai departe de echilibru, cu cât îl cunoaştem mai bine, şi de asemenea, îl putem defini cu mai multă precizie, cu cât putem să îl şi situăm într-o regiune mai restransă din spaţiul fazelor (de expansiune şi contracţie). Ireversibilitatea nu este deci, o proprietate universală.
Dinamica şi termodinamica necesită, prin urmare, definirea unui criteriu fizic de diferenţiere între sisteme. Creşterea ireversibilă a entropiei a fost asociată cu ideea unei manipulări imperfecte, pe plan ideal, a lipsei de control asupra operaţiilor care ar fi fost reversibile, faţă de risipa şi pieriderea de randament, care ar rezulta din arderile implicate în prosesul expansiunii universului. Fenomenul cuantic presupune, după cum bine se observă, ireversibilitate. Aceasta este, totuşi, o interpretare subiectivistă a ireversibilităţii, văzută ca şi o creştere a ignoranţei umane.
Cronometrarea spaţiului şi vârtejul timpului
Timpul se scurge într-o singură direcţie: din trecut spre viitor. Nu putem manipula timpul, nici nu putem calători înapoi, în trecut. Nu întâmplător, visul alchimiştilor chinezi era să acţioneze asupra timpului, să atingă nemurirea printr-o încetinire radicală a procesului de descompunere naturală. De asemenea, în spaţiul esoteric european, alchimiştii căutau să înfăptuiască acea Opera Magna, adică manipularea ultimă a materiei, în vederea obţinerii prafului monoatomic de aur, prin sublimarea progresivă şi prin combinarea provizorie a esenţelor, extrase din următoarele elemente: mercur (mercur filosofal), sulf (sulf filosofal), sare, argint etc. Sunt deci, nenumărate exemple de alchimişti care au căutat să păcălească perisabilitatea materiei, prin încropirea unui artefact mitologic, cunoscut sub numele de ,,piatră filosofală". Contele de Saint Germain, Paracelsus (care este recunoscut ca şi părinte al alchimiei în Europa), Cornelius Aggrippa ş.a.m.d. Despre primul, se arată în mod foarte straniu, câteva dovezi ale unor apariţii ale acestuia, în persoana sa, în intervale mari şi diferite de timp, de-alungul istoriei .
Ceea ce observăm, analizând strict ştiinţific problema, este că timpul nu ne opune pe noi universului, pentru că timpul cosmic şi cel uman sunt inseparabili. Timpul, inclusiv ireversibilitatea, exprimă o structură intrinsecă, un fel de polarizare a universului, care este adusă la nivel macroscopic de legea a II-a a termodinamicii. Această polarizare îşi are originea în dezordinea de la nivelul traiectoriei dinamice (sau a funcţiilor ondulatoriii mecanico-cuantice). Structura temporală apare în afara acestui caracter întâmplător, şi odată cu ea, apare şi ireversibilitatea cu strcuturile disipative. Existenţa timpului orientat constituie însăşi presupoziţia pe care se sprijină toate formele de activitate sau evoluţie.
Entropia şi săgeata timpului
Un aspect important a celei de-a II-a legi a termodinamicii, constă tocmai în relaţia sa apropiată cu limitele acţiunii noastre asupra lumii fizice. Originea istorică a celei de a II-a legi a temodinamicii, constă în înţelegrea faptului că avem nevoie de surse, la temperaturi diferite, pentru a putea produce lucrul mecanic. O singură sursă nu poate acţiona ca un motor termic, de unde rezultă imposibilitatea unei mişcări perpetue de categoria a-II-a. Cea de-a doua lege a termodinamicii exprimă existenţa schimburilor de entropie necontrolabile, asociate cu procesele ireversibile. Uitarea condiţiilor iniţiale se exprimă prin existenţa unei funcţii care schimbă monoton entropia. Entropia la echilibru acţionează ca un atractor, iar starea de entropie maximă atrage un sistem izolat din toate stările mai mici de entropie. Creşterea entropiei este asociată de o săgeată a timpului; entropia în viitor este mai mare decât entropia în trecut. Putem avea o săgeată a timpului fără existenţa unui atractor ca entropia, şi invers, putem avea entropie fără o săgeată a timpului. Dacă presupunem că universul a început cu ,,marea bubuitură", avem de-a face cu o săgeată cosmologică .
Sensul timpului în geneza şi soarta universului
Trecem acum spre analiză, urmărind descoperirea, sau măcar clarificarea ipotetică a sensului timpului în universul fizic, modelul înţelegerii şi descrierii timpului, propus, începând încă de prin anii 70, de către celebrul fizician şi cosmolog, Stephen Hawking. După Hawking, aşa cum didactic explică, în cunoscuta sa lucrare, O scurtă istorie a timpului (De la big-bang la găurile negre), carte devenită bestseler în domeniu, atât Aristotel, cât şi Newton credeau în timpul absolut. Ei credeau că intervalul de timp dintre două evenimente se poate măsura fără ambiguitate şi că acest timp, ar fi acelaşi, indiferent cine l-ar măsura, cu condiţia să aibă ,,un ceas bun". Timpul era complet separat de spaţiu şi independent de acesta. Postulatul fundamental al teoriei relativităţii era că legile ştiinţei trebuie să fie aceleaşi pentru orice observator care se mişcă liber, indiferent de viteza lor. O consecinţă a teoriei este modul în care ea a revoluţionat ideile noastre despre spaţiu şi timp.
În teoria lui Newton, dacă un impuls de lumină este trimis dintr-un loc în altul, diferiţi observatori ar fi de-acord asupra timpului necesar pentru acea deplasare, dar nu va fi de-acord întodeauna asupra distanţei parcurse de lumină, deoarece spaţiul nu este absolut. Întrucât viteza luminii este raportul dintre distanta pe care a parcurs-o şi timpul necesar pentru aceasta, observatori diferiţi vor măsura viteze diferite ale luminii. În realitate, toţi observatorii trebuie să fie de-acord asupra vitezei luminii. Altfel spus, teoria relativităţii pune capăt timpului absolut. Distanţa la care se produce evenimentul trebuie să fie jumătate din timpul pentru această deplasare dus-intors, înmulţit cu viteza luminii. Timpul nu este complet separat şi independent de spaţiu, ci se combina cu acesta, formând un obiect numit spaţiu-timp. Întregul univers se poate descrie, aşadar, printr-o colecţie de zone care se suprapun. În fiecare zonă, pentru a specifica poziţia unui punct, se poate utiliza un set diferit de trei coordonate (L, l, h).
Pentru a putea înţelege mai bine ceea ce Hawking vrea să ne spună în legătură cu timpul, trebuie să precizăm de la început termenii pe care îi va folosi ca pe nişte puncte de referinţă în lucrarea sa: eveniment, spaţiu-timp, con de lumină viitor, con de lumină trecut, altundeva, trecut absolut, viitor absolut, prezent. Toţi aceşti termeni folosiţi, aproape în mod poetic de către Hawking, pentru a reda problema timpului, îi vom explica în cele ce urmează.
Aşadar, ceea ce se întâmplă într-un anumit punct din spaţiu şi într-un anumit moment, reprezintă un eveniment. Acesta nu poate fi specificat prin patru numere sau coordonate, căci, în teoria relativităţii nu există distincţie reală între coordonatele spaţiale şi temporale, exact aşa cum nu există o diferenţă reală între oricare două coordonate spaţiale. Este util să se ia în considerare cele patru coordonate, ce specifică poziţia sa într-un spaţiu cvadridimensional, numit spaţiu-timp, (vezi fig.1, la anexe).
Aşadar: Conurile de lumină trecut şi viitor ale evenimentului P, împart spaţiul-timpul în trei regiuni:
l. viitorul absolut (din interiorul conului de lumină viitor a lui P). El este setul tuturor evenimentelor care pot fi afectate de ceea ce se întâmplă în P.
2. trecutul absolut (regiunea din interiorul conului de lumină trecut). El este sediul tuturor evenimentelor ale căror semnale se deplasează la, sau, sub viteza luminii, şi pot ajunge în P. Sediul tuturor evenimentelor care pot efecta ceea ce se întamplă în P.
3. regiunea altundeva (în care nu se găseşte în conul de lumină viitor şi trecut al lui P). Evenimentele din această regiune nu pot fi afectate de evenimentele din P. Astfel, când privim universul îl vedem aşa cum a fost el în trecut.
Ideea de la care pleacă Hawking, în lucrarea sa, este că pentru fiecare eveniment în spaţiu şi timp putem construi un con de lumină (acesta fiind sediul tuturor traiectoriilor posibile ale luminii în spaţiu-timp, emise de evenimentul P). Einstein a emis ipoteza revoluţionară, cum că gravitaţia nu este o forţă, ca celelalte forţe, ci este o consecinţă a faptului că spaţiu-timpul nu este plan, ci curbat, sau, mai exact „înfăşurat" de distribuţia masei şi energiei în el. În teoria relativităţii generalizate, corpurile urmează întotdeauna, linii drepte în spaţiu-timpul cvadri-dimensional. Masa soarelui curbează spaţiul-timp, astfel încât, deşi pământul urmează o linie dreaptă în spaţiul-timp cvadridimensional, nouă ni se pare că se mişcă de-alungul unei orbite circulare, în spaţiul tridimensional. Relativitatea generalizată prezice că axa lungă a elipsei trebuie să se rotească în jurul soarelui cu o valoare de circa un grad în 10.000 de ani. Razele de lumină trebuie să urmeze linii geodezice în spaţiu-timp. Deci, relativitatea generalizată prezice că lumina trebuie să fie curbată în câmpurile gravitaţionale.
O altă precizare a relativităţii generalizate este că timpul trebuie să pară că trece mai încet pe lângă un corp masiv, ca Pământul. Aceasta, deoarece există o relaţie între energia luminii şi frecvenţa sa (numărul de unde de lumină, pe secundă). Cu cât este mai mare energia, cu atât este mai mare frecvenţa. Atunci când lumina se propagă în sus, în câmpul gravitaţional al Pămantului, ea pierde energie şi astfel, frecvenţa sa scade. Pentru cineva aflat la înălţime, ar părea că tot ce se întâmpă jos necesită un timp mai lung. În teoria relativitaţii generalizate nu există un timp absolut unic, dar în schimb, fiecare individ are propria sa măsură a timpului, care depinde de locul către care se deplasează şi de modul în care se deplasează. Vechea idee despre universul în esenţă neschimbător şi care a existat, a fost înlocuită, pentru totdeauna, cu noţiunea de univers dinamic, în expansiune, care pare să fi început la un moment finit, în trecut, şi care ar putea să se termine la un moment finit, în viitor.
Sensul timpului
Creşterea entropiei cu timpul reprezintă un exemplu de sens al timpului, ceva care diferenţiează trecutul de viitor, dând timpului o direcţie, cu trei sensuri diferite:
A. Sensul termodinamic- direcţia timpului în care dezordinea creşte.
B. Sensul psihologic al timpului- direcţia în care noi simţim trecerea timpului, ne reamintim trecutul, dar nu şi viitorul.
C. Sensul cosmologic - direcţia timpului în care universul se extinde, nu se contractă.
Toate cele trei sensuri sunt îndreptate spre aceiaşi direcţie. Sensul psihologic este terminat de sensul termodinamic necesar în aceeasi direcţie. A doua lege a termodinamicii rezultă din faptul că există întodeauna mai multe stări dezordonate decât ordonate. Pe măsură ce trece timpul, sistemul va evolua comform legilor ştiintei şi starea sa se va schimba. Dezordinea va ţine să crească cu timpul, dacă sistemul satisface o stare iniţială foarte ordonată.
Sensul psihologic al timpului pentru inteligenţa artificială e acelaşi ca şi pentru fiinţele umane. Memoria interacţionează cu sistemul ce va fi într-o stare sau alta, conform cu sensul timpului ordonat sau dezordonat. Sensul nostru subiectiv al direcţiei timpului, ca şi sens psihologic al timpului, este determiant în creierul nostru de sensul termodinamic al timpului. La fel ca un computer, noi ne amintim lucrurile în ordinea care creşte entropia. Dezordinea creşte cu timpul deoarece noi măsurăm timpul în direcţia în care dezordinea creşte.
Teoria clasică a relativităţii generalizate nu poate preciza modul în care universul ar fi început, deoarece niciuna din legile cunoscute nu ar mai funcţiona la singularitatea big-bangului. Universul ar putea fi început într-o stare foarte omogenă şi ordonată, aceasta ar fi condus la sensuri termodinamice şi cosmologice bine definite ale timpului. La fel de bine, s-ar fi putut începe de la o stare neomogenă şi dezordonată. Dezordinea, astfel, nu ar putea să crească cu timpul, caz în care, sensul termodinamic ar fi un sens propus celui cosmologic. Atunci când curbura spaţiu-timp devine prea mare, efectele gravitaţionale cuantice vor deveni importante şi teoria clasică va înceta să fie o descriere bună a universului.
Pentru a înţelege cum anume, a început universul, trebuie să se utilizeze o teorie cuantică a gravitaţiei. Iniţial, universul nu ar fi putut fi complet uniform, deoarece aceasta ar fi încălcat princpiul de incertitudine a lui Heisenberg, din teoria cuantică. Trebuie să fi existat fluctuaţii mici ale densităţii şi vitezelor particulelor. Totuşi, condiţia fazei-limite înseamnă că aceste fluctuaţii erau cât se poate de mici, conform principiului de incertitudine. Universul trebuie să fi început cu o perioadă de expansiune exponenţială, sau inflaţionistă, în care şi-ar fi mărit dimensiunea, cu un factor foarte mare. Vorbim deci, despre trecerea dintr-o stare omogenă, ordonată, la una neomogenă, dezordonată, şi în care avem, bineînţeles, o situaţie de ,,colaps al unei stele", echivalentul găurelor negre.
În acest sens, Stephen Hawking afirma în O scurtă istorie a timpului, astfel: ,,la început, am crezut că dezordinea ar descreşte când universul ar suferi din nou un colaps. Deoarece credeam că universul trebuia să se întoarcă la o stare omogenă şi ordonată, atunci ar deveni din nou mic. Aceasta ar însemna ca faza de contracţie ar fi ca inversarea timpului fazei de expansiune. În faza de contracţie oamenii şi-ar trăi vieţile înapoi: ar muri înainte de a se fi născuţi şi ar deveni mai tineri pe măsură ce universul se contractă" . Simetriile între fazele de expansiune şi contracţie sau dovedit, deci, a fi false. Hawking şi-a dat seama că făcuse o greşeală, abia după ce s-a consultat cu studenţii săi, Don Page şi Raymond Laflamne, care îi sugerase ideea de condiţie ,,fără limite" , ce ar explica, cum că dezordinea ar continua, de fapt, să crească şi în timpul contracţiei. Sensurile termodinamic şi psihologic al timpului nu s-ar inversa când universul ar începe să se contracte din nou, sau în interiorul găurilor negre.
Principiul antropic slab
În finalul lucrării se cuvine să explicăm, pe scurt, cum anume influenţează sensul timpului, cu tot ceea ce implică acest lucru, lumea vie, şi în special, fiinţa umană? Aşadar, fizicienii au ajuns, în cele din urmă, la următoarea concluzie: pentru ca viaţa inteligentă să funcţioneze este necesar un sens termodinamic al timpului. Cu alte cuvinte, sensul termodinamic al timpului ar fi condiţia necesar suficientă pentru a putea să se dezvolte în univers viaţă inteligentă şi bine organizată. Pentru a supravieţui, fiinţele trebuie să consume hrană, care este o formă ordonată de energie şi pe care o transformă în căldură, care este o formă dezordonată de energie. Astfel, viaţa inteligentă nu ar putea exista în faza de contracţie a universului.
Aceasta explică de ce sensurile termodinamice şi cosmologice ale timpului sunt îndreptate în aceeaşi direcţie. Condiţia ,,fără limite", pe care studenţii lui Hawking, i-au sugerat-o, după care, acesta îşi reabilitase teroriile despre expansiunea şi contracţia universului, determină tocmai creşterea dezordinii, sugerând, de asemenea, care sunt condiţiile adecvate pentru viaţa inteligentă, anume, numai în faza de expansiune. Motivul pentru care noi observăm că sensul termodinamic concordă cu sensul cosmologic, explică şi faptul de ce fiinţele inteligente pot exista numai în faza de expansiune. De aceea, faza de contracţie va fi necorespunzătoare, întrucât nu are un sens termodinamic puternic, al timpului.
Bibliografie:
1. Illya Prigogine, De la existenţă la devenire (Timp şi complexitate în ştiintele fizicii), trad.Vasile Vasilescu şi Alexandra Boicu, Editura Ştiinţifică Bucureşti, 1992.
2. Illya Prigogine şi Isabelle Stengers, Noua Alianţă (Metamorfoza ştiinţei) Trad.Cristina Boicu şi Zoe Manolescu, Ed. Politică, Bucureşti, 1994.
3. Stephen Hawking, Scurtă istorie a timpului (De la big-bang la găurile negre), Ed.Humanitas, Trad. Mihaela Ciodaru, Bucureşti, 1994.
4. Stephen Hawking, Einstein si alte eseuri (interviuri), trad. Mihaela Ciodaru, Bucureşti, 2001.
5. Carl Gustave Jung, Psihologie şi Alchimie, Ed.Humanitas, Bucureşti, 2003.
0 comentarii:
Trimiteți un comentariu