VEROVATNOĆA, VREME I TOPLOTA CRNIH RUPA
Zajedno s velikim teorijama o kojima sam već govorio i koje opisuju elementarne sastojke sveta, postoji još jedan veliki bastion fizike koji je donekle drugačiji od ostalih. Do njega je neočekivano dovelo jedno jedino pitanje: „Šta je toplota?“
Sve do sredine devetnaestog veka, fizičari su pokušavali da shvate toplotu razmišljajući o njoj kao o nekoj vrsti fluida, koju su nazivali „kalorik“; ili o dva fluida, pri čemu je jedan vreo a drugi hladan, ispostavilo se da je ta zamisao pogrešna. Na kraju su Džejms Maksvel i austrijski fizičar Ludvig Bolcman shvatili. A to što su oni shvatili veoma je lepo, čudno i duboko – i vodi nas u prostore koji su i dalje gotovo neistraženi.
Oni su shvatili to da vrela supstanca nije ona koja sadrži kalorični fluid. Vrela supstanca je ona supstanca u kojoj se atomi brže kreću. Atomi i molekuli, mali klasteri atoma vezanih skupa, uvek su u pokretu. Oni jure, vibriraju, poskakuju i tako dalje. Hladan je onaj vazduh u kojem se atomi, ili bolje molekuli, kreću sporije. Vruć je onaj vazduh u kojem se molekuli kreću brže. Predivno jednostavno. Ali tu nije kraj.
toplotni procesi
1.provođenje - kondukcija
2.strujanje- konvekcija
3.zračenje -radijacija
Toplota, kao što znamo, uvek se kreće od vrelih stvari prema hladnim. Hladna kašičica za čaj postavljena u šolju sa vrućim čajem takođe postaje vruća. Ako se ne obučemo prikladno kada je dan leden, brzo gubimo telesnu toplotu i biva nam hladno. Zašto se toplota kreće od vrućih svari prema hladnim, a ne obrnuto?
To je ključno pitanje, zato što je u vezi sa prirodom vremena. U svakom slučaju u kojem ne dolazi do razmene toplote, ili je razmenjena toplota zanemarljiva, vidimo da se budućnost ponaša sasvim jednako kao prošlost. Na primer, za kretanje planeta u Sunčevom sistemu toplota je gotovo nevažna, i zapravo isto to kretanje jednako bi moglo da se dešava i unazad, a da ne bude prekršen niti jedan zakon fizike. Međutim, čim se pojavi toplota, budućnost se razlikuje od prošlosti. Dok nema trenja, na primer, klatno može da se beskonačno njiše. Kad bismo to snimili i pustili film unazad,videli bismo kretanje koje je sasvim moguće. Ali akо postoji trenje, onda klatno malčice zagreva svoj oslonac, gubi energiju i usporava. Trenje proizvodi toplotu. I odmah smo u stanju da razlikujemo budućnost (prema kojoj klatno usporava) od prošlosti. Nikad nismo videli kako klatno počinje da se njiše iz stacionarnog položaja a da mu je kretanje započeto energijom dobijenom zahvaljujući apsorpciji toplote iz njegovih oslonaca. Razlika između prošlosti i budućnosti postoji samo tamo gde ima i toplote. Fundamentalni fenomen koji odlikuje budućnost od prošlosti jeste činjenica da toplota prelazi sa stvari koje su toplije na stvari koje su hladnije.
Dakle, ponovo, zašto toplota s vremenom prelazi sa vrelih stvari na hladne, a ne obrnuto?
Taj razlog je otkrio Bolcman, i on je iznenađujuće jednostavan: posredi je puki slučaj.
Bolcmanova zamisao je suptilna, i uvodi u igru ideju o verovatnoći. Toplota ne prelazi sa vrelih stvari na hladne usled nekog apsolutnog zakona: ona to čini s visokim stepenom verovatnoće. Razlog je to što je statistički verovatnije da će se atom vrele supstance koji se brzo kreće sudariti sa onim hladnim i ostaviti mu malo svoje energije nego obrnuto. Energija je u sudarima očuvana, ali sklona je tome da bude distribuirana u manje-više jednakim delovima kada je u pitanju mnogo sudara. Na taj način, temperatura predmeta u međusobnom kontaktu teži da se izjednači. Nije nemoguće da vrelo telo u kontaktu sa hladnijim postane još vrelije: samo je ekstremno neverovatno.
To uvođenje verovatnoće u srce fizike i njeno korišćenje kako bi se objasnile osnove dinamike toplote, isprva su smatrani apsurdom. Kao što često biva, Bolcmana niko nije shvatao ozbiljno. Petog septembra 1906, u Duinu blizu Trsta, on se ubio obesivši se, tako da nije dočekao naknadno univerzalno priznanje vrednosti njegovih zamisli.
U drugoj lekciji sam ispričao kako to kvantna mehanika predviđa da se kretanje svakog malog predmeta dešava slučajno. I to uvodi verovatnoću u igru. Ali verovatnoća koju je Bolcman razmatrao,verovatnoća u korenu toplote, ima drugačiju prirodu i nezavisna je od kvantne mehanike.Verovatnoća koja je u igri u nauci o toploti u izvesnom smislu je povezana s našim neznanjem.
Ja možda ne znam nešto sa sigurnošću, ali i dalje tom nečemu mogu da pripišem manji ili veći stepen verovatnoće. Na primer, ne znam da li će sutra padati kiša ovde u Marselju, hoće li biti sunčano ili padati sneg, ali verovatnoća da sutra ovde padne sneg – u Marselju, u avgustu – mala je. Slično tome, u vezi sa većinom fizičkih objekata: mi znamo nešto, ali ne i sve o njihovom stanju, i možemo samo da donosimo pređviđanja zasnovana na verovatnoći. Pomislite na balon pun vazduha. Ja mogu da ga izmerim: mogu da mu izmerim oblik, zapreminu, temperaturu... Ali molekuli vazduha u balonu brzo se kreću u njemu, i ja ne znam gde se koji od njih tačno nalazi. To me onemogućava da precizno predvidim kako će se balon ponašati. Na primer, ako razvežem čvor kojim je on zatvoren i pustim ga, on će se bučno izduvati, jureći i udarajući tamo-amo na način koji nikako ne mogu da predvidim. To je nemoguće zato što znam samo oblik, zapreminu, pritisak i temperaturu balona. Udaranje balona tamo-amo zavisi od pojedinosti o položaju molekula u njemu, a ja njih ne znam. Opet, čak i ako ne mogu sve da tačno predvidim, mogu da predvidim verovatnoću da će se dogoditi ovo ili ono. Biće, na primer, vrlo neverovatno da balon izleti kroz prozor, okruži dole u daljini oko svetionika i onda se vrati da mi sleti na ruku, tamo odakle je i pušten. Neko ponašanje je verovatnije, dok je drugo manje verovatno.
U istom ovom smislu, verovatnoća da kad se molekuli sudare toplota pređe sa toplijih tela na ona koja su hladna može da se izračuna, i ispostavlja se da je mnogo veća nego verovatnoća da toplota pređe prema toplijem telu.
Grana nauke koja razjašnjava te stvari naziva se statistička fizika, a jedan od njenih trijumfa, počevši od Bolcmana, bilo je poimanje verovatnoće u prirodi toplote i temperature, što će reći, termodinamike.
Kašičica i balon se ponašaju onako kako moraju, sledeći zakone fizike potpuno nezavisno od onoga što znamo ili ne znamo o njima. Predvidljivost ili nepredvidljivost njihovog ponašanja nema veze sa njihovim tačnim stanjem; ona ima veze sa ograničenim skupom njihovih svojstava sa kojima smo u interakciji. Ovaj skup svojstava zavisi od našeg specifičnog načina na koji stupamo uinterakciju sa kašičicom ili balonom. Verovatnoća se ne odnosi na evoluciju materije same po sebi. Ona se odnosi na evoluciju tih specifičnih količina sa kojima smo u interakciji. Još jednom, pomalja se duboko relativna priroda koncepata koje koristimo kako bismo organizovali svet.
Hladna kašičica se zagreva u vrelom čaju zato što čaj i kašičica stupaju u interakciju sa nama kroz ograničeni broj promenljivih veličina među nebrojenim promenljivima koje karakterišu njihovo mikro stanje. Vrednost ovih promenljivih nije dovoljna da se buduće ponašanje tačno predvidi (dokaz za to je balon), ali je dovoljna da se sa optimalnom verovatnoćom predvidi to da će se kašičica zagrejati.
Nadam se da čitaocu pažnja nije odlutala zbog tih suptilnih razlika...
E sad, tokom dvadesetog veka termodinamika (to će reći, nauka o toploti) i statistička mehanika (to jest, nauka o verovatnoći različitih kretanja) bile su proširene i na elektromagnetne i kvantne pojave. Proširenje na sedam kratkih lekcija iz fizike obuhvata i gravitaciono polje, ali to se, međutim, pokazalo problematičnim. Kako se gravitaciono polje ponaša kad se zagreje i dalje je nerešen problem.
Znamo šta se dešava sa zagrejanim elektromagnetnim poljem: u rerni, na primer, postoji vrelo elektromagnetno zračenje koje peče pitu, i mi znamo kako to da opišemo. Elektromagnetni talasi vibriraju, nasumice dele energiju, i možemo celinu zamisliti kao gas od fotona koji se kreću poput molekula u vrelom balonu. Ali šta je vrelo gravitaciono polje?
Gravitaciono polje, kao što smo videli u prvoj lekciji, jeste sam prostor, praktično prostor-vreme. Stoga, kada se toplota raširi po gravitacionom polju, sami vreme i prostor moraju da vibriraju... Ali mi i dalje ne znamo kako to dobro da opišemo. Nemamo jednačine za opisivanje termalnih vibracija vrelog prostor-vremena. Šta je to vibrirajuće vreme?
Takva pitanja vode nas u srce problema vremena: šta je zapravo proticanje vremena?
Taj problem je već bio prisutan u klasičnoj fizici, i njime su se u devetnaestom i dvadesetom veku bavili filozofi – ali mnogo je akutniji u modernoj fizici. Fizika opisuje svet formulama koje govore kako stvari variraju kao funkcija „vremena“. Ali mi možemo da pišemo formule koje nam govore kako stvari variraju u odnosu na njihov „položaj“, ili kako ukus rižota varira kao funkcija „promenljive količine butera“. Čini se da vreme „protiče“, dok količina butera ili lokacija u prostoru ne „protiču“. Otkud ta razlika?
Problem se može postaviti i tako što ćemo se upitati: šta je „sadašnjost“? Kažemo da postoje samo stvari iz sadašnjosti: prošlost više ne postoji, dok budućnost još ne postoji. Ali u fizici ne postoji ništa što bi odgovaralo pojmu „sadašnjosti“. Uporedite „sada“ sa „ovde“. „Ovde“ opisuje mesto gde se govornik nalazi: za dvoje različitih ljudi, „ovde“ znači dva različita mesta. Sledi to da je „ovde“ reč čije značenje zavisi od toga gde je ona izgovorena. Tehnički termin za ovu vrstu kazivanja je „indeksno“. „Sada“ takođe ukazuje na trenutak u kojem je reč izgovorena, i takođe se klasifikuje kao„indeksna“ reč. Ali niko ni u snu ne bi rekao da stvari „ovde“ postoje, dok one koje nisu „ovde“ ne postoje. Pa zašto onda kažemo da stvari koje su „sada“ postoje, dok sve ostalo ne postoji? Je li sadašnjost nešto objektivno u svetu, što „protiče“ i zahvaljujući čemu stvari „postoje“ jedna za drugom, ili je ona samo subjektivna kao „ovde“?
To može izgledati kao nedokučivi mentalni problem. Ali moderna fizika je od toga napravila goruće pitanje, pošto je specijalna relativnost pokazala da je i zamisao o „sadašnjosti“ takođe subjektivna. Fizičari i filozofi su došli do zaključka da je zamisao o sadašnjosti zajedničkoj za celu vaseljenu samo iluzija, te da je univerzalno „proticanje“ vremena generalizacija koja ne funkcioniše. Kad je umro njegov veliki italijanski prijatelj Mikele Beso, Ajnštajn je napisao dirljivo pismo Mikeleovoj sestri: „Mikele je napustio ovaj čudni svet malo pre mene. To ništa ne znači. Ljudi kao mi, koji veruju u fiziku, znaju da razlika koja se pravi između prošlosti, sadašnjosti i budućnosti nije ništa više od uporne, tvrdoglave iluzije.“
Iluzija ili ne, šta objašnjava činjenicu da za nas vreme „juri“, „protiče“, „prolazi“? Proticanjev remena je očigledno svima nama: naše misli i naš govor postoje u vremenu; sama struktura našeg jezika zahteva vreme – nešto „jeste“ ili „је bilo“ ili „će biti“. Moguće je zamisliti svet bez boja, bez materije, čak i bez prostora, ali je teško zamisliti svet bez vremena. Nemački filozof Martin Hajdeger naglasio je naše „bivstvo u vremenu“. Je li moguće da proticanje vremena koje Hajdeger posmatra kao praiskonsko bude odsutno iz opisa sveta?
Neki filozofi, najodaniji Hajdegerovi sledbenici među njima, zaključuju da fizika nije sposobna da opiše najfundamentalnije aspekte stvarnosti, i odbacuju je kao formu znanja koja zavodi na stranputicu. Ali mnogo puta u prošlosti shvatili smo da je naša neposredna intuicija neprecizna: dasmo se držali nje, i dalje bismo verovali da je Zemlja ravna i da Sunce kruži oko nje. Naša intuicija se razvijala na osnovu našeg ograničenog iskustva. Kada pogledamo malo dalje napred, otkrivamo da svet nije onakav kakav nam izgleda: Zemlja je okrugla, a u Kejptaunu ljudi stoje naopačke, tako da su im stopala gore, a glave dole. Verovanje neposrednoj intuiciji umesto kolektivnom razmatranju koje je racionalno, obazrivo i inteligentno, nije mudrost: to su pretpostavke starca koji odbija da poveruje kako je veliki svet van njegovog sela iole drugačiji od onog koji je oduvek poznavao.
Koliko god nam izgledao živ, naš doživljaj prolaska vremena ne mora da odražava fundamentalni aspekt stvarnosti. Ali ako taj naš živ doživljaj prolaska vremena nije fundamentalan, odakle onda dolazi?
Mislim da se odgovor krije u intimnoj vezi između vremena i toplote. Postoji primetna razlika između prošlosti i budućnosti samo kada protiče toplota. Toplota je povezana sa verovatnoćom; a verovatnoća je opet povezana sa činjenicom da naše interakcije sa ostatkom sveta ne registruju fine pojedinosti stvarnosti. Proticanje vremena stoga izvire iz fizike, ali ne u kontekstu tačnog opisa stvari kakve one jesu. Ono pre izvire u kontekstu statistike i termodinamike. Ovo može biti ključ za enigmu vremena. „Sadašnjost“ ne postoji u objektivnom smislu baš kao što ni „ovde“ ne postoji objektivno, ali mikroskopske interakcije u svetu dovode do pojavljivanja vremenskih fenomena u okviru jednog sistema (na primer, u nama) koji u interakciju stupa samo kroz medij mnoštva promenljivih.
Naše sećanje i naša svest sazdani su na tim statističkim fenomenima. Za hipotetički super osetljivo biće ne bi postojalo „proticanje“ vremena: vaseljena bi bila jedinstveni blok prošlosti, sadašnjosti i budućnosti. Ali usled ograničenja naše svesti, mi opažamo samo zamagljenu viziju sveta, i živimo u vremenu. Da pozajmim reči od svog italijanskog urednika, „оnо što se ne vidi daleko je veće od onog što je primetno“. Iz tog ograničenog, zamagljenog fokusa mi primamo opažanje prolaska vremena. Je li to jasno? Ne, nije. Toliko toga tek ostaje da se razume.
Vreme sedi u središtu klupka problema koji nastaju usled ukrštanja gravitacije, kvantne mehanike i termodinamike. To je klupko problema u kojem smo i dalje u mraku. I mada postoji nešto što možda počinjemo da shvatamo o kvantnoj gravitaciji, a kombinuje dva od tri dela slagalice, još nemamo teoriju kadru da okupi sva tri dela našeg fundamentalnog znanja o svetu.
blazar 3C 279 gamma zračenje izmereno sa Fermi Gamma-ray Space Telescope
Mala indicija za rešenje dolazi iz proračuna koji je dovršio Stiven Hoking, fizičar slavan po tome što je nastavio da stvara izuzetna dostignuća u fizici uprkos bolesti zbog koje je vezan za invalidska kolica i ne može da govori bez mehaničkog pomagala.
Koristeći kvantnu mehaniku, Hoking je uspešno pokazao da su crne rupe uvek „vrele“. One zrače toplotom kao peć. To je prva konkretna indikacija prirode „vrelog svemira“. Niko nikad nije posmatrao tu toplotu zato što je ona slaba u onim stvarnim crnim rupama koje su do sad posmatrane –ali Hokingov proračun je ubedljiv, ponavljan je na različite načine, i stvarnost toplote crnih rupa je opšteprihvaćena.
Toplota crnih rupa je kvantni efekt po predmet, crnu rupu, i to gravitacione prirode. Upravo pojedinačni kvanti svemira, elementarna zrna prostora, vibrirajući „molekuli“ zagrevaju površinu crnih rupa i generišu toplotu crnih rupa. Taj fenomen obuhvata sve tri strane problema: kvantnu mehaniku, opštu relativnost i nauku o toploti. Toplota crnih rupa je nalik na kamen iz Rozete za fiziku, ispisana kombinacijom tri jezika – kvantnog, gravitacionog i termodinarničkog – i još čeka da bude dešifrovana kako bi otkrila stvarnu prirodu vremena.
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (1)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (2)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (3)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (4)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (5)
Нема коментара:
Постави коментар