Najbardziej przegadany temat.
A jednak potrzebuję dla siebie samego- co najmniej jego uporządkowania. Zazwyczaj ,gdy w swoim pokoju zaczynam wprowadzać jako taki porządek i ład, to zawsze odkrywam coś nowego, nieoczekiwanego, o czym nie miałem pojęcia ,że to właśnie w tym pokoju jest.
Powiecie ,że to co znalazłem , to nie nowe, lecz zapomniane. Nie zgadzam się z wami.
Czas to niepojęty kreator rzeczywistości. Coś ,co było nie dostrzegane i niewidziane przez długi czas – zmieniło się.
Chyba temu nie zaprzeczysz ,czytelniku ?A jeśli się zmieniło, to wcześniej takim nie było, czyli pojawiło się coś nowego. Stare zmienione – to po prostu nowe.
Dlaczego czas, to kreator nowości? Nowych stanów, nowych rzeczy?
Fizyk na to odpowiada krótko:
Dla danego układu fizycznego ciał [odizolowanego od otoczenia] zmierz wielkość zwaną entropią [oznaczenie S] w danym momencie czasu t(1) korzystając z prawa Boltzmanna:
S = k*ln W
Gdzie k- stała fizyczna zwana stałą Boltzmanna
k = 1,38*10^(-23) J/K
ln – symbol logarytmu naturalnego,
W- prawdopodobieństwo termodynamiczne układu.
i otrzymasz jakąś wartość S(1).
Gdy powtórzysz pomiar w chwili późniejszej t(2) otrzymasz inną wartość entropii, np. S(2).
W układzie ciał ,na który nawet gdy nic nie działa z otoczenia – wielkość zwana entropią z biegiem czasu zmienia się. Zmiany więc tej wielkości mogą być miarą upływu czasu w rozważanym układzie.
Nie twierdzę ,że entropia jest czasem .
Twierdzę jedynie ,że entropia może być wykrywaczem, wskaźnikiem tego, co dzieje się z czasem. Czas w danym układzie ciał się zmienia ,bo zmienia się entropia tego układu.
Badania fizykalne różnych układów fizycznych wyłączonych spod działania otoczenia, dają zaskakujący wynik:
Z biegiem czasu entropia takich układów nie maleje !
To znaczy, różnica :
S(2) – S(1)
jest, albo równe zero, albo większe od zera, a prawie zawsze jest większe od zera.
To jest “polonistyczna” wersja słynnej II zasady termodynamiki, której nawet fizyka “czarnych dziur” ani kwantowa grawitacja pętlowa, do tej pory nie zdołały obalić.
Tym samym ,entropia układu fizycznego odizolowanego może być nie tylko wskaźnikiem zmiany czasu ,ale ona po prostu pokazuje nam ,która chwila jest późniejsza a która wcześniejsza:
dla chwili późniejszej entropia prawie zawsze jest większa od entropii dla chwili wcześniejszej.
Zmiana więc entropii układu pokazuje nam, jak w tym układzie biegnie czas, wprowadza rozróżnienie przyszłości od przeszłości.
Dzięki entropii możemy dostrzec w przyrodzie : “strzałkę czasu”.
Czas może być reprezentowany przez linię zorientowaną, zaopatrzoną w grot, a tym samym punkty przynależne do tej linii wykazują porządek: są punkty poprzedzające i następujące. Mamy ochotę mówić ,że czas jest jednowymiarowy, oraz że nie trwa, lecz “płynie”.
Wyobraźmy sobie zamknięty pokój, wypełniony powietrzem, którego molekuły składowych gazów możemy widzieć. Widzimy ich chaotyczny, bezwładny ruch, zderzenia, zmiany torów i prędkości ,uderzenia o ściany pokoju.
Prawdopodobieństwo termodynamiczne W [we wzorze na entropię] takiego “widzialnego” w wyobraźni stanu ,zaistniałego samorzutnie , jaki jest pokazany na rys.1a
jest bliskie zeru.
Czyli entropia jest też bardzo mała.
Z biegiem czasu najbardziej prawdopodobne makrostany są takie, gdzie w dowolnie ustalonych komórkach podziału pokoju, jest mniej więcej jednakowy rozkład molekuł.
Dla makrostanu pokazanego na rys.1c entropia jest największa, bo prawdopodobieństwo zaistnienia takiego stanu jest największe.
Układy fizyczne , na które nic nie działa, cechuje wzrost entropii, który sygnalizuje nam płynięcie czasu.
Układ trzech rysunków 1 a-b-c, pokazuje ewolucję układu fizycznego ,od “porządku” [rys.1.a] gdzie wszystkie molekuły gazów są w prawym dolnym rogu pokoju , a następne rysunki 1b-1c to powolny zanik tego “porządku” ,aż do prawie jednostajnego rozkładu przestrzennego molekuł.
W pierwszym przypadku entropia ma wartość małą, w drugim –większą, w trzecim – największą.
Samorzutna tendencja ewolucji układu fizycznego jest więc taka:
od stanu o entropii małej, do stanu o entropii dużej.
Jest to jeszcze jedna “polonistyczna” wersja sformułowania drugiego prawa termodynamiki klasycznej [DPT].
Aktualnie ,wszechświat jest niezmiernie bogatą strukturą: gromady galaktyk, galaktyki, gwiazdy i układy planetarne, pył i gaz kosmiczny. Kosmolodzy oszacowali jego entropię przy założeniu zamkniętości. Wcześniej, ta entropia wszechświata musiała być mniejsza [jeśli we wszechświecie obowiązuje DPT].
Cofając się wstecz w czasie, mamy do czynienia z coraz to mniejszą entropią ,czyli ze stanami wszechświata coraz mniej prawdopodobnymi. Bardzo dawno temu musiał być stan wszechświata o najniżej wartości entropii i materia musiała być skupiona w mikroskopijnym elemencie przestrzeni[ jako model tej sytuacji zobacz.rys.1 a, powietrze skupione w prawym dolnym rogu].
DPT więc zastosowane do wszechświata jako całości wskazuje na najmniejszą entropię w momencie Big Bangu. Jaki czynnik decydował, że ten stan termodynamiczny wszechświata nie był metatrwały – o tym nic nie wiemy.
Istnieje więc czas globalny wszechświata ,istnieje jedna wspólna historia przynajmniej dla obserwowalnej części wszechświata [zob.2].
Szczegółowe analizy tego problemu czytelnik może znaleźć u Rogera Penrose [1].
Tymczasem , gdy rozpatrujemy lokalnie wszechświat, entropia i strzałka czasu wyglądają różnie. Lokalnie powstają gwiazdy z pyłu kosmicznego na skutek kontrakcji grawitacyjnej [skupianie materii pod wpływem sił grawitacyjnych], powstają gromady gwiazd, powstają galaktyki – układy fizyczne uporządkowane, powstają ustrukturyzowane złożoności dla których entropia jest mniejsza, czyli lokalnie bieg czasu jest różny, strzałki czasu są bardzo różne.
Mamy niejeden dowód obserwacyjny rodzenia przez stare [ bardzo odległe od nas] galaktyki nowych ,kompletnych struktur, nowych młodych galaktyk. Wyłaniają się one jako uporządkowane złożoności, bez jakiejkolwiek ewolucji, jakby zawędrowały z innej czasoprzestrzeni do naszego świata.
M 87
W tych miejscach DPT załamuje się, a jaka fizyka tam rządzi – nie wiemy.
W takich miejscach możliwe ,że mielibyśmy trudności z określeniem przyszłości, lub w ogóle - z odróżnieniem przeszłości od przyszłości. Nie wiadomo jak przedstawiałyby się relacje między przyczyną, a skutkiem.
W “naszym” świecie panuje porządek i sens : najpierw jest wystrzał z karabinka ,a później dziura w tarczy z pociskiem, który tam trafił, wnuki przychodzą po dziadkach, kobiety po urodzeniu dziecka nie stają się dziewicami, itd.
Coś jedna zaczęło się psuć w “państwie duńskim” i to za sprawą Hermana Minkowskiego i Alberta Einsteina, czyli po pojawieniu się teorii względności [TR].
Szczególna teoria względności [SR] wykrywa ,że czas dla obserwatorów jest zależny od ich stanu kinematycznego. Jeżeli obserwator O[prim] porusza się względem obserwatora O z prędkością v-const.
to dla niego zegar w O chodzi wolniej, niż dla obserwatora w O.
Jest to słynna dylatacja sekundy wyznaczona wzorem
T[dla prim] = T[dla O]/gamma
Gdzie gamma jest pierwiastkiem kwadratowym z różnicy
[1- (v/c)^2].
Zależność tempa upływu czasu od stanu kinematycznego obserwatora prowadzi do relatywizmu w szacowaniu chodu zegarów.
O wiele bardziej niesamowita jest jednak zależność upływu strzałki czasu od miejsca w przestrzeni.
Wyobraźmy sobie że mamy dużą ilość identycznych zegarów zsynchronizowanych, to znaczy pokazujących tę samą godzinę. Następnie te zegary rozsuwamy na duże odległości względem siebie i pozostawiamy nieruchome i po pewnym czasie dokonujemy odczytu.
Wszystkie zegary są rozsynchronizowane !
Każdy zegar pokazuje inny czas !
Czas jest związany z przestrzenią, w dwóch różnych punktach przestrzeni czas płynie inaczej. I ten fakt nie ma nic wspólnego z polami fizycznymi ,np. z grawitacją lub polem elektromagnetycznym.
Najbardziej radykalny związek między czasem a przestrzenią, jest w osobliwościach czasoprzestrzeni ,czyli w czarnych dziurach.
Tam przestrzeń staje się czasem, a czas przestrzenią. W związku z tym czas staje się trójwymiarowy, lub więcej wymiarowy.
Czas staje się wielkością wektorową [a dokładnie – tensorową],wobec tego w pokoju umieszczonym we wnętrzu czarnej dziury na każdym kierunku upływ czasu byłby inny: od drzwi do okna minęłoby 5 godzin ,a od podłogi do sufitu tylko pół godziny.
Czarne dziury, to maszyny czasu wielowymiarowego ,wytwarzają takie rodzaje czasów, o których Wellsowi lub Lemowi nawet się nie śniło.
NGC 520
Innymi słowy: gdy rozważamy czas w skali mega ,w skali zjawisk kosmologicznych, to odsłania się przed nami prawdziwy labirynt stanów i możliwości różnych postaci czasu.
Na naszych oczach rodzi się fizyka czasu[ PT ].
Literatura
[1]R.Penrose, Droga do rzeczywistości, Warszawa,2007,str.657-677
[2]M.Heller,Osobliwy wszechświat,PWN,Warszawa,1991,s.70
