Τι είναι η θερμότητα;Ως τα μέσα του 19ου αιώνα, οι φυσικοί προσπαθούσαν να καταλάβουν τη θερμότητα πιστεύοντας ότι ήταν ένα είδος ρευστού, το «θερμικό», ή δύο ρευστά, ένα ζεστό κι ένα κρύο. Αλλά η ιδέα αποδείχτηκε λανθασμένη. Έπειτα, ο Μάξγουελ και ο Μπόλτσμαν κατάλαβαν κάτι ωραίο, παράξενο και βαθυστόχαστο – κάτι που μας ταξιδεύει σε περιοχές που παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητες.
Αυτό που κατάλαβαν είναι ότι μια ζεστή ουσία δεν είναι μια ουσία που περιέχει θερμικό ρευστό. Είναι μια ουσία στην οποία τα άτομα κινούνται ταχύτερα: άτομα και μόρια, ομάδες συνδεδεμένων ατόμων, κινούνται διαρκώς. Τρέχουν, δονούνται, αναπηδούν και ούτω καθεξής. Ο ψυχρός αέρας είναι αέρας όπου τα άτομα κινούνται πιο αργά. Απλό και ωραίο. Αλλά δεν τελειώνει εδώ.
Η θερμότητα, όπως γνωρίζουμε, πηγαίνει πάντοτε από τα ζεστά πράγματα στα κρύα. Αν τοποθετήσουμε ένα κρύο κουταλάκι σ’ ένα ζεστό τσάι, θα ζεσταθεί. Γιατί η θερμότητα μεταδίδεται από τα ζεστά πράγματα στα κρύα, και όχι αντιστρόφως;
Είναι ένα κρίσιμο ερώτημα επειδή σχετίζεται με τη φύση του χρόνου. Σε κάθε περίπτωση όπου δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας, ή η ανταλλαγή θερμότητας είναι αμελητέα, βλέπουμε ότι το μέλλον συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το παρελθόν. Παραδείγματος χάριν, για την κίνηση των πλανητών του ηλιακού συστήματος η θερμότητα είναι σχεδόν άνευ σημασίας: στην πραγματικότητα, αυτή η ίδια κίνηση θα μπορούσε να γίνεται αντιστρόφως χωρίς να παραβιαστεί κανένας νόμος της φυσικής. Αντιθέτως, μόλις υπάρξει θερμότητα, το μέλλον είναι διαφορετικό από το παρελθόν. Για παράδειγμα, όσο δεν υπάρχει τριβή, ένα εκκρεμές μπορεί να εξακολουθήσει να ταλαντεύεται για πάντα. Αν το κινηματογραφήσουμε και παίξουμε την ταινία ανάποδα, θα δούμε μια κίνηση που είναι απολύτως δυνατή. Αν όμως υπάρχει τριβή, τότε το εκκρεμές θερμαίνει ελαφρώς τα στηρίγματα του, χάνει ενέργεια, και η κίνησή του επιβραδύνεται. Η τριβή παράγει θερμότητα. Και αμέσως είμαστε σε θέση να διακρίνουμε το μέλλον (προς το οποίο το εκκρεμές επιβραδύνει την κίνησή του) από το παρελθόν.
Η διαφορά μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος υπάρχει μόνο όταν μεσολαβεί η θερμότητα. Το θεμελιώδες φαινόμενο που διακρίνει το μέλλον από το παρελθόν είναι το γεγονός ότι η θερμότητα περνάει από τα θερμότερα πράγματα στα ψυχρότερα. Γιατί η θερμότητα μεταδίδεται από τα θερμότερα πράγματα στα ψυχρότερα και όχι το αντίστροφο;
Ο λόγος, τον οποίο ανακάλυψε ο Αυστριακός φυσικός Λούντβιχ Μπόλτσμαν, είναι εκπληκτικά απλός: πρόκειται για καθαρή τύχη. Η ιδέα του Μπόλτσμαν δείχνει οξύνοια: βάζει στο παιχνίδι την ιδέα των πιθανοτήτων. Η θερμότητα δεν κινείται από τα θερμότερα στα ψυχρότερα σώματα βάσει ενός απόλυτου νόμου: απλούστατα έχει πολύ περισσότερες πιθανότητες να κινηθεί με αυτό τον τρόπο διότι είναι στατιστικώς πιθανότερο ένα γρήγορα κινούμενο άτομο της ζεστής ουσίας να συγκρουστεί μ’ ένα ψυχρό άτομο και να αφήσει λίγη από την ενέργεια του, και όχι το αντίστροφο. Η ενέργεια διατηρείται στις συγκρούσεις, αλλά αν οι συγκρούσεις είναι πολλές, τείνει να διανεμηθεί σε περισσότερο ή λιγότερο ίσα μέρη. Έτσι η θερμοκρασία των αντικειμένων που έρχονται σε επαφή τείνει να εξισωθεί. Δεν είναι αδύνατον ένα θερμό σώμα να γίνει θερμότερο στην επαφή του μ’ ένα ψυχρό: απλώς είναι απίθανο. Οι πιθανότητες που σχετίζονται με την επιστήμη της θερμότητας συνδέονται κατά κάποιον τρόπο με την άγνοιά μας. Μπορεί να μην ξέρω κάτι με βεβαιότητα, αλλά μπορώ να αποδώσω έναν μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό πιθανότητας σε αυτό.
Για παράδειγμα, δεν ξέρω αν αύριο θα βρέξει στη Μασσαλία, αν θα είναι μια μέρα ηλιόλουστη ή αν θα χιονίσει, αλλά η πιθανότητα να χιονίσει αύριο στη Μασσαλία, τον Αύγουστο, είναι μικρή. Το ίδιο συμβαίνει με τα περισσότερα φυσικά πράγματα: γνωρίζουμε κάτι, αλλά όχι τα πάντα για την κατάστασή τους, και μπορούμε μόνο να κάνουμε προβλέψεις με βάση τις πιθανότητες Κάποιες μορφές συμπεριφοράς είναι πιο πιθανές άλλες πιο απίθανες. Με την ίδια λογική, όταν μόρια συγκρούονται, η πιθανότητα να περάσει η θερμότητα από τα θερμότερα σώματα στα ψυχρότερα μπορεί να μετρηθεί, και αποδεικνύεται πολύ μεγαλύτερη από την πιθανότητα να συμβεί το αντίστροφο.
Εκ πρώτης όψεως, η ιδέα ότι η άγνοιά μας σημαίνει κάτι για τη συμπεριφορά του κόσμου φαίνεται παράλογη: το κρύο κουταλάκι θερμαίνεται μέσα στο ζεστό τσάι, ανεξάρτητα από ό,τι γνωρίζω ή δεν γνωρίζω. Τι σχέση έχει το τι ξέρουμε ή δεν ξέρουμε με τους νόμους που κυβερνούν τον κόσμο; Το ερώτημα είναι δικαιολογημένο και η απάντηση χρειάζεται προσοχή. Το προβλέψιμο ή μη προβλέψιμο της συμπεριφοράς τους δεν αφορούν την ακριβή τους κατάσταση, αλλά το περιορισμένο σύνολο ιδιοτήτων τους με τις οποίες αλληλεπιδρούμε.
Αυτό το σύνολο ιδιοτήτων εξαρτάται από τον συγκεκριμένο τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με το κουταλάκι. Οι πιθανότητες δεν αφορούν την εξέλιξη των ίδιων των σωμάτων- σχετίζονται με την εξέλιξη των τιμών που λαμβάνουν οι ιδιότητες των σωμάτων όταν αυτά αλληλεπιδρούν με άλλα σώματα. Για άλλη μια φορά, εμφανίζεται η βαθιά σχεσιακή φύση των εννοιών που χρησιμοποιούμε για να βάλουμε σε τάξη τον κόσμο.
Το κρύο κουταλάκι θερμαίνεται στο ζεστό τσάι διότι το τσάι και το κουταλάκι αλληλεπιδρούν με εμάς μόνο μέσω ενός περιορισμένου αριθμού μεταβλητών μεταξύ των αναρίθμητων μεταβλητών που χαρακτηρίζουν την κατάστασή τους (για παράδειγμα η θερμοκρασία). Η τιμή αυτών των μεταβλητών δεν αρκεί για να προβλέψουμε με ακρίβεια τη μελλοντική συμπεριφορά, αλλά είναι αρκετή για να προβλέψουμε με τη μεγίστη πιθανότητα ότι το κουταλάκι θα ζεσταθεί.
Τα ζητήματα αυτά μάς οδηγούν στην καρδιά του προβλήματος του χρόνου: τι ακριβώς είναι η ροή του χρόνου;
Το πρόβλημα υπήρχε ήδη στην κλασική φυσική και αναδείχτηκε από φιλοσόφους του 19ου και του 20ού αιώνα — αλλά έγινε οξύτερο στη σύγχρονη φυσική. Η φυσική περιγράφει τον κόσμο μέσω τύπων που μας λένε πώς τα πράγματα μεταβάλλονται σε συνάρτηση με τον «χρόνο». Αλλά μπορούμε να γράψουμε τύπους που μας λένε πώς τα πράγματα μεταβάλλονται σε συνάρτηση με τη «θέση», ή πώς η γεύση του ριζότο μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την «ποσότητα βουτύρου». Ο χρόνος φαίνεται να «ρέει», ενώ η ποσότητα βουτύρου ή η θέση στον χώρο δεν «ρέουν». Από πού προέρχεται η διαφορά;
Ένας άλλος τρόπος να θέσουμε το πρόβλημα είναι να αναρωτηθούμε τι είναι το «παρόν». Λέμε ότι μόνο τα πράγματα του παρόντος υπάρχουν: το παρελθόν δεν υπάρχει πια, και το μέλλον δεν υπάρχει ακόμα. Αλλά στη φυσική δεν υπάρχει τίποτα που να αντιστοιχεί στην έννοια του «τώρα». Συγκρίνετε το «τώρα» με το «εδώ». Το «εδώ» χαρακτηρίζει τον τόπο όπου βρίσκεται ο ομιλητής: για δύο διαφορετικούς ανθρώπους, το «εδώ» σημαίνει δυο διαφορετικούς χώρους. Συνεπώς το «εδώ» είναι μια λέξη η έννοια της οποίας εξαρτάται από το που εκφέρεται (ο τεχνικός όρος για τις λέξεις αυτού του είδους είναι «ενδεικτικές»). Όσο για το «τώρα», δείχνει τη στιγμή που η λέξη ειπώθηκε (και το «τώρα» είναι ένας ενδεικτικός όρος). Κανείς δεν θα σκεφτόταν να πει ότι τα πράγματα που είναι «εδώ» υπάρχουν, ενώ τα πράγματα που δεν είναι «εδώ» δεν υπάρχουν. Τότε γιατί λέμε ότι τα πράγματα που είναι «τώρα» υπάρχουν, και τα άλλα όχι; Είναι άραγε το παρόν κάτι αντικειμενικό που «ρέει» και κάνει τα πράγματα να «υπάρχουν» το ένα μετά το άλλο, ή μήπως είναι υποκειμενικό όπως το «εδώ»;
Το ερώτημα μπορεί να φαίνεται εκκεντρικό. Αλλά η σύγχρονη φυσική το ανήγαγε σε φλέγον ζήτημα, διότι η ειδική σχετικότητα έδειξε ότι η έννοια του «παρόντος» είναι επίσης υποκειμενικά. Φυσικοί και φιλόσοφοι έχουν φτάσει στο συμπέρασμα ότι η ιδέα ενός παρόντος κοινού σε όλο το σύμπαν είναι ψευδαίσθηση, και ότι η παγκόσμια «ροή» του χρόνου είναι μια γενίκευση που δεν λειτουργεί. Όταν πέθανε ο μεγάλος Ιταλός φίλος του, ο Μικέλε Μπέσσο, ο Αϊνστάιν έγραψε ένα συγκινητικό γράμμα στην αδελφή του: «Ο Μικέλε άφησε αυτό τον παράξενο κόσμο πριν από μένα. Αυτό δεν σημαίνει τίποτα. Άνθρωποι σαν κι εμάς, που πιστεύουν στη φυσική, γνωρίζουν ότι η διάκριση μεταξύ παρελθόντος, παρόντος και μέλλοντος δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια επίμονη, πεισματική ψευδαίσθηση».
Ψευδαίσθηση ή όχι, τι εξηγεί το γεγονός ότι για μας ο χρόνος «τρέχει», «ρέει», «περνάει»; Το πέρασμα του χρόνου είναι εμφανές σε όλους μας. Οι σκέψεις και η ομιλία μας υπάρχουν στον χρόνο, η ίδια η δομή της γλώσσας μας απαιτεί τον χρόνο (ένα πράγμα «είναι» ή «ήταν» ή «θα είναι»).
Μπορούμε να φανταστούμε έναν κόσμο χωρίς χρώματα, χωρίς ύλη, ακόμα και χωρίς χώρο, αλλά είναι δύσκολο να φανταστούμε έναν κόσμο χωρίς χρόνο. Ο Γερμανός φιλόσοφος Μάρτιν Χάιντεγκερ τόνιζε ότι «κατοικούμε στον χρόνο». Είναι δυνατόν η ροή του χρόνου που ο Χάιντεγκερ θεωρεί πρωταρχική να απουσιάζει από την περιγραφή του κόσμου;
Αλλά από πού προέρχεται η ζωηρή εντύπωσή μας για το πέρασμα του χρόνου;
Νομίζω ότι η απάντηση βρίσκεται στη στενή σχέση μεταξύ χρόνου και θερμότητας, στο ότι υπάρχει ανιχνεύσιμη διαφορά ανάμεσα στο παρελθόν και το μέλλον μόνον όταν υπάρχει ροή θερμότητας, και στο ότι η θερμότητα συνδέεται με τις πιθανότητες. Αυτή, με τη σειρά της, συνδέεται με το γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις μας με τον περιβάλλοντα κόσμο δεν διακρίνουν τις μικροσκοπικές λεπτομέρειες της πραγματικότητας.
Η ροή του χρόνου αναδύεται έτσι από τη φυσική, αλλά όχι στη σφαίρα μιας ακριβούς περιγραφής των πραγμάτων ως έχουν. Προκύπτει μάλλον στη σφαίρα της στατιστικής και της θερμοδυναμικής, που ίσως κρατούν το κλειδί του αινίγματος του χρόνου. Το «παρόν» δεν υπάρχει αντικειμενικά περισσότερο από ό,τι υπάρχει ένα αντικειμενικό «εδώ», αλλά οι μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις στον κόσμο προάγουν την εμφάνιση χρονικών φαινομένων σ’ ένα σύστημα (όπως για παράδειγμα σ’ εμάς τους ίδιους) που αλληλεπιδρά μόνο με τη μεσολάβηση μυριάδων μεταβλητών. Η μνήμη και η συνείδησή μας οικοδομούνται πάνω σ’ αυτά τα στατιστικά φαινόμενα που δεν είναι σταθερά στον χρόνο. Για μια υποθετική οξύτατη όραση που θα έβλεπε τα πάντα, δεν θα υπήρχε χρόνος που «κυλάει», και το σύμπαν θα ήταν ένα ενιαίο σύνολο παρελθόντος, παρόντος και μέλλοντος. Αλλά λόγω της περιορισμένης αντίληψής μας, ζούμε στον χρόνο γιατί βλέπουμε μόνο μια θολή εικόνα του κόσμου.
Από αυτή τη θολή θέαση του κόσμου, γεννιέται η αντίληψή μας για τη ροή του χρόνου.
Είναι σαφές; Όχι, δεν είναι. Απομένουν πολλά για να γίνει κατανοητό.
Ο Χόκινγκ, χρησιμοποιώντας την κβαντική μηχανική, κατάφερε να αποδείξει ότι οι μαύρες τρύπες είναι πάντα «θερμές». Εκπέμπουν θερμότητα όπως η σόμπα. Είναι η πρώτη απτή ένδειξη του τι είναι ο «θερμός χώρος». Κανείς δεν έχει παρατηρήσει ποτέ αυτή τη θερμότητα: είναι πολύ αμυδρή στις μαύρες σούπες που παρατηρούμε στον ουρανό. Ο υπολογισμός του Χόκινγκ είναι όμως πειστικός: έχει επαναληφθεί με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, και η θερμότητα των μαύρων τρυπών θεωρείται γενικώς πραγματική.
Η θερμότητα των μαύρων τρυπών είναι μια κβαντική επίδραση πάνω σ’ ένα αντικείμενο βαρυτικής φύσης, τη μαύρη τρύπα. Είναι τα επιμέρους κβάντα του χώρου, οι στοιχειώδεις κόκκοι του χώρου, τα «δονούμενα» μόρια που θερμαίνουν την επιφάνεια των μαύρων τρυπών και παράγουν τη θερμότητα τους. Το φαινόμενο αφορά ταυτοχρόνως την κβαντική μηχανική, τη γενική σχετικότητα και τη θερμοδυναμική. Αν ίσως έχουμε αρχίσει να καταλαβαίνουμε κάτι για την κβαντική βαρύτητα που συνδυάζει δύο από τα τρία κομμάτια του παζλ, δεν έχουμε ακόμα ούτε ίχνος μιας θεωρίας που να είναι και τα τρία κομμάτια της βασικής γνώσης μας για τον κόσμο. Ούτε καταλαβαίνουμε γιατί αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όπως συμβαίνει.
Η θερμότητα των μαύρων τρυπών είναι σαν μια στήλη της Ροζέττας, γραμμένη με συνδυασμό τριών γλωσσών – των Κβάντων, της Βαρύτητας και της Θερμοδυναμικής-, που περιμένει να αποκρυπτογραφηθεί για να μας πει τι είναι πραγματικά η ροή του χρόνου.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου