|
|
|
Sensul timpului
In capitolele anterioare am vazut cum s-au schimbat de-a lungul anilor parerile noastre despre natura timpului. Pana la inceputul acestui secol oamenii credeau intr-un timp absolut. Adica, fiecarui eveniment i se poate atribuit in mod unic un numar numit "timp" si toate ceasurile bune vor fi de acord asupra intervalului dintre doua evenimente. Totusi, descoperirea faptului ca viteza luminii este aceeasi pentru orice observator, indiferent de modul in care se misca, a condus la teoria relativitatii si in cadrul acesteia ideea existentei unui timp absolut a trebuit sa fie abandonata. In schimb, fiecare observator ar avea propria sa masura a timpului inregistrata de un ceas pe care il poarta; ceasurile purtate de diferiti observatori nu ar concorda in mod necesar. Astfel, timpul devine un concept mai personal, legat de observatorul care il masoara.
Cand se incearca unificarea gravitatiei cu mecanica cuantica, trebuie sa se introduca ideea timpului "imaginar". Timpul imaginar nu se distinge de directiile spatiului. Daca cineva poate merge spre nord, poate sa se intoarca si sa mearga spre sud; in mod egal, in timpul imaginar, daca cineva poate merge inainte, atunci poate sa se intoarca si sa mearga inapoi. Aceasta inseamna ca nu poate fi o diferenta importanta intre directiile inainte si inapoi ale timpului imaginar. Pe de alta parte, cand se considera timpul "real", exista o diferenta foarte mare intre directiile inainte si inapoi, asa cum stim cu totii. De unde vine aceasta diferenta intre trecut si viitor? De ce ne amintim trecutul, dar nu viitorul?
Legile stiintei nu fac diferenta intre trecut si viitor. Mai exact, asa cum s-a explicat anterior, legile stiintei nu se schimba la combinarea operatiilor (sau simetriilor) numite C, P si T. (C inseamna schimbarea particulelor cu antiparticule, P inseamna schimbarea cu imaginea in oglinda astfel ca stanga si dreapta se schimba intre ele. si T inseamna inversarea directiei de miscare a tuturor particulelor; de fapt miscarea inapoi.) Legile stiintei care guverneaza comportarea materiei in toate situatiile normale nu se schimba la combinarea aplicarii a doua din operatiile C si P asupra lor. Cu alte cuvinte, viata ar fi existat la fel pentru locuitorii unei alte planete care ar fi imaginea noastra in oglinda si ei ar fi formati din antimaterie, nu din materie.
Daca legile stiintei nu se schimba prin combinarea operatiilor C si P si de asemenea prin combinarea C, P si T, ele trebuie sa ramana, de asemenea, neschimbate numai la operatia T. Totusi, exista o mare diferenta intre directiile inainte si inapoi ale timpului real in viata obisnuita. Imaginati-va o ceasca de apa care cade de pe o masa si se sparge in bucati pe podea. Daca filmati aceasta, puteti spune usor daca filmul ruleaza inainte sau inapoi. Daca il rulati inapoi veti vedea bucatile cum se aduna de pe podea si sar inapoi formand o ceasca pe masa. Puteti spune ca filmul ruleaza inapoi deoarece acest fel de comportare nu se observa niciodata in viata obisnuita. Daca ar fi asa, producatorii de portelanuri ar da faliment.
Explicatia care se da de obicei pentru faptul ca nu vedem cesti sparte adunandu-se de pe podea si sarind din nou pe masa este ca acest lucru este interzis de legea a doua a termodinamicii. Aceasta spune ca in orice sistem inchis dezordinea, sau entropia, creste intotdeauna cu timpul. Cu alte cuvinte, este o forma a legii lui Murphy: Lucrurile tind intotdeauna sa mearga rau! O ceasca intacta pe masa reprezinta o stare foarte ordonata, dar o ceasca sparta pe podea este o stare dezordonata. Se poate trece usor de la ceasca de pe masa din trecut la ceasca sparta de pe podea din viitor, dar nu invers.
Cresterea dezordinii sau entropiei cu timpul reprezinta un exemplu de sens al timpului, ceva care diferentieaza trecutul de viitor, dand timpului o directie. Exista cel putin trei sensuri diferite ale timpului. Primul este sensul termodinamic al timpului, directia timpului in care dezordinea sau entropia creste. Apoi, exista sensul psihologic al timpului. Aceasta este directia in care noi simtim trecerea timpului, directia in care ne reamintim trecutul, dar nu viitorul. In sfarsit, exista un sens cosmologic al timpului. Acesta este directia timpului in care universul se extinde, nu se contracta.
In acest capitol voi arata ca pentru univers conditia "fara limita" impreuna cu principiul antropic slab pot explica de ce toate cele trei sensuri sunt indreptate in aceeasi directie si, in plus, de ce trebuie sa existe un sens al timpului bine definit. Voi arata ca sensul psihologic este determinat de sensul termodinamic si ca aceste doua sensuri sunt indreptate intotdeauna, in mod necesar, in aceeasi directie. Daca se presupune conditia "fara limita" pentru univers, vom vedea ca trebuie sa existe sensuri termodinamice si cosmologice bine definite ale timpului, dar ele nu vor fi indreptate in aceeasi directie pentru intreaga istorie a universului. Totusi, voi arata ca numai atunci cand ele sunt indreptate in aceeasi directie sunt conditii adecvate pentru dezvoltarea fiintelor inteligente care pot pune intrebarea: De ce creste dezordinea in aceeasi directie a timpului cu aceea in care se extinde universul?
Voi discuta mai intai sensul termodinamic al timpului. A doua lege a termodinamicii rezulta din faptul ca exista intotdeauna mai multe stari dezordonate decat cele ordonate. De exemplu, sa consideram piesele unui puzzle intr-o cutie. Exista un aranjament, unul singur, in care piesele formeaza un tablou complet. Pe de alta parte, exista un numar foarte mare de aranjamente in care piesele sunt dezordonate si nu formeaza tabloul.
Sa presupunem ca un sistem incepe intr-una dintr-un numar mic de stari ordonate. Pe masura ce trece timpul, sistemul va evolua conform legilor stiintei si starea sa se va schimba. La un moment ulterior, este mai probabil ca sistemul va fi intr-o stare dezordonata decat intr-una ordonata deoarece exista mai multe stari dezordonate. Astfel, dezordinea va tinde sa creasca cu timpul, daca sistemul satisface o stare initiala foarte ordonata.
Sa presupunem ca piesele puzzle incep intr-o cutie aranjate ordonat formand un tablou. Daca scuturati cutia, piesele vor avea alt aranjament. Acesta va fi probabil un aranjament dezordonat in care piesele nu formeaza un tablou, pur si simplu pentru ca sunt mai multe aranjamente dezordonate. Unele grupe de piese pot forma inca parti ale tabloului, dar cu cat scuturati mai mult cutia, cu atat este mai probabil ca aceste grupuri vor fi distruse si piesele se vor gasi intr-o stare complet amestecata in care nu mai formeaza nici un tablou. Astfel dezordinea pieselor va creste probabil cu timpul daca piesele satisfac conditia initiala ca au inceput intr-o stare foarte ordonata.
Sa presupunem insa ca Dumnezeu a hotarat ca universul trebuie sa termine intr-o stare foarte ordonata dar ca nu are importanta in ce stare a inceput. La inceputuri universul ar fi probabil intr-o stare dezordonata. Aceasta inseamna ca dezordinea va scadea cu timpul. Ati vedea cesti sparte adunandu-se si sarind inapoi pe masa. Totusi, orice fiinte umane care ar observa cestile ar trai intr-un univers in care dezordinea ar scadea cu timpul. Voi arata ca astfel de fiinte ar avea un sens psihologic al timpului care ar fi indreptat inapoi. Adica, ele si-ar aminti evenimente din viitor si nu si-ar aminti evenimente din trecut. Cand s-a spart ceasca, ei si-ar aminti-o stand pe masa, dar cand ar fi pe masa ei nu si-ar aminti-o pe podea.
Este destul de greu sa vorbim despre memoria umana deoarece nu stim cum lucreaza creierul in detaliu. stim insa totul despre modul in care lucreaza memoria computerelor. Prin urmare, voi discuta sensul psihologic al timpului pentru computere. Cred ca este rezonabil sa se presupuna ca sensul pentru computere este acelasi ca pentru fiintele umane. Daca nu ar fi, s-ar putea da o lovitura la bursa avand un computer care si-ar aminti preturile de maine!
Memoria unui computer este un dispozitiv care contine elemente care pot exista intr-una din doua stari. Un exemplu simplu este un abac. In forma sa cea mai simpla, acesta consta din mai multe sarme; pe fiecare sarma exista o bila care poate fi pusa intr-una din doua pozitii. Inainte ca un element sa fie inregistrat in memoria unui computer, memoria este in stare dezordonata, cu posibilitati egale pentru cele doua stari posibile. (Bilele abacului sunt imprastiate intamplator pe sarmele abacului.) Dupa ce memoria interactioneaza cu sistemul ce trebuie amintit, el se va gasi clar intr-o stare sau alta, conform starii sistemului. (Fiecare bila a abacului va fi ori la stanga ori la dreapta sarmei abacului.) Astfel memoria a trecut de la o stare dezordonata la una ordonata. Totusi, pentru a se asigura ca memoria este intr-o stare corecta, este necesar sa se utilizeze o anumita cantitate de energie (pentru a misca bila sau pentru a alimenta computerul, de exemplu). Aceasta energie se disipa sub forma de caldura si mareste cantitatea de dezordine din univers. Se poate arata ca aceasta crestere a dezordinii este intotdeauna mai mare decat cresterea ordinii memoriei. Astfel, caldura eliminata de ventilatoarele de racire a calculatorului inseamna ca atunci cand un computer inregistreaza un element de memorie, cantitatea totala de dezordine din univers creste. Directia timpului in care un computer isi aminteste trecutul este aceeasi cu aceea in care creste dezordinea.
Sensul nostru subiectiv al directiei timpului, sensul psihologic al timpului, este determinat deci in creierul nostru de sensul termodinamic al timpului. La fel ca un computer, noi trebuie sa ne amintim lucrurile in ordinea in care creste entropia. Aceasta face legea a doua a termodinamicii aproape neinsemnata. Dezordinea creste cu timpul deoarece noi masuram timpul in directia in care dezordinea creste. Nu puteti face un pariu mai sigur ca acesta!
Dar de ce trebuie sa existe sensul termodinamic al timpului? Sau, cu alte cuvinte, de ce trebuie ca universul sa fie intr-o stare foarte ordonata la un capat al timpului, capatul pe care-l numim trecut? De ce nu este intr-o stare de dezordine completa tot timpul? Doar aceasta ar parea mai probabila. si de ce directia timpului in care dezordinea creste este aceeasi cu aceea in care universul se extinde?
In teoria clasica a relativitatii generalizate nu se poate prezice modul in care universul ar fi inceput, deoarece nici una dintre legile cunoscute nu ar mai functiona la singularitatea Big Bang-ului. Universul putea sa fi inceput intr-o stare foarte omogena si ordonata. Aceasta ar fi condus la sensuri termodinamic si cosmologic bine definite ale timpului, dupa cum observam. Dar s-ar fi putut la fel de bine ca el sa fi inceput intr-o stare foarte neomogena si dezordonata. In acest caz, universul ar fi fost deja intr-o stare de dezordine completa, astfel ca dezordinea nu ar putea sa creasca cu timpul. Ea ar ramane constanta, caz in care nu ar fi un sens termodinamic bine definit al timpului, sau ar descreste, caz in care sensul termodinamic al timpului ar fi indreptat in directie opusa sensului cosmologic. Nici una din aceste posibilitati nu corespunde cu ceea ce observam. Totusi, asa cum am vazut, relativitatea generalizata clasica prezice propria sa cadere. Atunci cand curbura spatiu-timpului devine mare, efectele gravitationale cuantice vor deveni importante si teoria clasica va inceta sa fie o descriere buna a universului. Pentru a intelege cum a inceput universul, trebuie sa se utilizeze o teorie cuantica a gravitatiei.
Asa cum am vazut in ultimul capitol, intr-o teorie cuantica a gravitatiei pentru a specifica starea universului ar trebui sa se spuna cum s-ar comporta istoriile posibile ale universului la limita spatiu-timpului in trecut. Aceasta dificultate de a descrie ceea ce nu stim si nu putem sti s-ar evita numai daca istoriile satisfac conditia "fara limita"; ele au o intindere finita dar nu au limite, margini sau singularitati. In acest caz, inceputul timpului ar fi un punct regulat, omogen al spatiu-timpului si universul ar fi trebuit sa-si inceapa expansiunea intr-o stare foarte omogena si ordonata. El nu ar fi putut fi complet uniform, deoarece aceasta ar fi incalcat principiul de incertitudine din teoria cuantica. Trebuie sa fi existat fluctuatii mici ale densitatii si vitezelor particulelor. Totusi, conditia "fara limita" insemna ca aceste fluctuatii erau cat se putea de mici, conform principiului de incertitudine.
Universul trebuie sa fi inceput cu o perioada de expansiune exponentiala sau "inflationista" in care si-ar fi marit dimensiunea cu un factor foarte mare. In timpul acestei expansiuni, fluctuatiile densitatii ar fi trebuit sa ramana mici la inceput, dar apoi ar fi trebuit sa inceapa sa creasca. Regiunile in care densitatea era putin mai mare decat media ar fi avut o expansiune incetinita de atractia gravitationala a masei suplimentare. In cele din urma, aceste regiuni si-ar fi oprit expansiunea si ar fi suferit un colaps formand galaxii, stele si fiinte ca noi. Universul ar fi trebuit sa inceapa intr-o stare omogena, ordonata si ar fi devenit neomogen si dezordonat pe masura ce timpul trecea. Aceasta ar explica existenta sensului termodinamic al timpului.
Dar ce s-ar intampla daca si cand universul si-ar opri expansiunea si ar incepe sa se contracte? S-ar inversa sensul termodinamic si dezordinea ar incepe sa scada cu timpul? Aceasta ar conduce la toate felurile de posibilitati ale literaturii stiintifico-fantastice pentru persoanele care ar supravietui fortei expansiunii si contractiei. Ar vedea ele cestile sparte adunandu-se de pe podea si sarind inapoi pe masa? Ar putea sa-si aminteasca preturile de maine si sa faca avere la bursa? Pare a fi putin cam academic sa te ingrijorezi de ceea ce s-ar intampla cand universul ar suferi din nou un colaps, deoarece el nu va incepe sa se contracte cel putin zece miliarde de ani de acum incolo. Dar exista o cale mai rapida de a afla ce se va intampla: sa sari intr-o gaura neagra. Colapsul unei stele formand o gaura neagra este la fel ca ultimele etape ale colapsului intregului univers. Daca dezordinea descrestea in faza de contractie a universului; s-ar putea astepta, de asemenea, sa descreasca intr-o gaura neagra. Astfel, poate un astronaut care cade intr-o gaura neagra ar putea sa castige bani la ruleta amintindu-si unde s-a oprit bila inainte de a miza. (Din nefericire insa el nu ar avea mult timp sa joace inainte de a fi transformat in spaghetti. Nici nu ar putea sa ne comunice inversarea sensului termodinamic; sau chiar sa-si incaseze castigul, deoarece el ar fi prins dincolo de orizontul evenimentului gaurii negre.)
La inceput, am crezut ca dezordinea ar descreste cand universul ar suferi din nou un colaps: Aceasta deoarece credeam ca universul trebuia sa se intoarca la o stare omogena si ordonata atunci cand devenea din nou mic. Aceasta insemna ca faza de contractie ar fi ca inversarea timpului fazei de expansiune. In faza de contractie, oamenii si-ar trai vietile inapoi: ei ar muri inainte de a fi nascuti si ar deveni mai tineri pe masura ce universul se contracta.
Aceasta idee este atractiva, deoarece ar insemna o simetrie intre fazele de expansiune si de contractie. Totusi, ea nu poate fi adoptata singura, independent de celelalte idei despre univers. Problema e: Este explicata de conditia "fara limita", sau nu este corespunzatoare cu aceasta conditie? Asa cum am spus, am crezut la inceput ca intr-adevar conditia "fara limita" inseamna ca dezordinea ar scadea in faza de contractie. Am fost indus in eroare in parte de analogia cu suprafata pamantului. Daca se considera ca inceputul universului corespunde cu Polul Nord, atunci sfarsitul universului trebuie sa fie asemanator cu inceputul, exact cum Polul Sud este similar cu Polul Nord. Totusi Polul Nord si Polul Sud corespund inceputului si sfarsitului universului in timpul imaginar. Inceputul si sfarsitul in timp real pot diferi foarte mult. Am mai fost indus in eroare de analiza pe care am facut-o pe un model simplu al universului in care faza de colaps era ca inversarea timpului fazei de expansiune. Totusi, un coleg de-al meu, Don Page, de la Penn State University, a aratat ca conditia "fara limita" nu cere in mod necesar ca faza de contractie sa fie inversarea in timp a fazei de expansiune. In plus, unul dintre studentii mei, Raymond Iaflamme, a descoperit ca, intr-un model putin mai complicat, colapsul universului era foarte diferit de expansiune. Mi-am dat seama ca facusem o greseala: conditia "fara limita" inseamna ca dezordinea ar continua, de fapt, sa creasca in timpul contractiei. Sensurile termodinamic si psihologic al timpului nu s-ar inversa cand universul ar incepe sa se contracte din nou sau in interiorul gaurilor negre.
Ce-ati face cand v-ati da seama ca ati facut o greseala ca aceasta? Unele persoane nu admit niciodata ca au gresit si continua sa gaseasca argumente noi, si adesea necorespunzatoare pentru a-si sustine cauza asa cum a facut Eddington cand s-a opus teoriei gaurilor negre. Altii pretind ca nu au sustinut niciodata parerea gresita sau, daca au facut-o, a fost numai pentru a arata cat este de necorespunzatoare. Mie mi se pare mult mai bine si mai clar daca admiteti intr-o publicatie ca ati gresit. Un exemplu bun in acest sens a fost Einstein, care a numit constanta cosmologica, pe care a introdus-o cand incerca sa elaboreze un model static al universului, cea mai mare greseala a vietii sale.
Intorcandu-ne la sensul timpului, ramane intrebarea: De ce observam ca sensurile termodinamic si cosmologic sunt indreptate in aceeasi directie? Sau, cu alte cuvinte, de ce dezordinea creste in aceeasi directie a timpului cu aceea in care se extinde universul? Daca se crede ca universul se va extinde si apoi se va contracta din nou, asa cum pare sa implice propunerea "fara limita", aceasta devine o problema; de ce trebuie sa fim in faza de expansiune si nu in faza de contractie?
Se poate raspunde la aceasta pe baza principiului antropic slab. Conditiile in faza de contractie nu ar fi adecvate pentru existenta fiintelor inteligente care ar putea pune intrebarea: De ce dezordinea creste in aceeasi directie a timpului in care se extinde universul? Inflatia din etapele timpurii ale universului, pe care o prezice propunerea "fara limite", inseamna ca universul trebuie sa se extinda cu o rata foarte apropiata de cea critica la care el tocmai evita sa sufere din nou un colaps, si astfel nu va suferi un colaps inca foarte mult timp. Pana atunci toate stelele vor fi ars si protonii si neutronii din ele se vor fi dezintegrat probabil in particule usoare si radiatii. Universul ar fi intr-o stare de dezordine completa. Nu ar mai exista un sens termodinamic puternic al timpului. Dezordinea nu ar putea sa creasca mult deoarece universul ar fi deja intr-o stare de dezordine aproape completa. Totusi, pentru ca viata inteligenta sa functioneze este necesar un sens termodinamic puternic. Pentru a supravietui, fiintele umane trebuie sa consume hrana, care este o forma ordonata de energie, si o transforma in caldura, care este o forma dezordonata de energie. Astfel, viata inteligenta nu ar putea exista in faza de contractie a universului. Aceasta explica de ce observam ca sensurile termodinamice si cosmologice ale timpului sunt indreptate in aceeasi directie. Nu aceasta face ca expansiunea universului sa determine cresterea dezordinii. Mai degraba, conditia "fara limita" determina cresterea dezordinii si conditiile adecvate pentru viata inteligenta numai in faza de expansiune.
Pentru a rezuma, legile stiintei nu fac distinctie intre directiile inainte si inapoi ale timpului. Totusi, exista cel putin trei sensuri ale timpului care diferentiaza trecutul de viitor. Ele sunt sensul termodinamic, directia timpului in care dezordinea creste; sensul psihologic, directia timpului in care ne amintim trecutul si nu viitorul; si sensul cosmologic, directia timpului in care universul se extinde, nu se contracta. Am aratat ca sensul psihologic este esential acelasi cu sensul termodinamic, astfel ca cele doua sunt indreptate intotdeauna in aceeasi directie. Propunerea "fara limite" pentru univers prezice existenta unui sens termodinamic al timpului bine definit, deoarece universul trebuie sa inceapa intr-o stare omogena si ordonata. Iar motivul pentru care noi observam ca sensul termodinamic concorda cu sensul cosmologic este ca fiintele inteligente pot exista numai in faza de expansiune. Faza de contractie va fi necorespunzatoare deoarece nu are un sens termodinamic puternic al timpului.
Progresul rasei umane in intelegerea universului a stabilit un colt mic de ordine intr-un univers din ce in ce mai dezordonat. Daca va amintiti fiecare cuvant din aceasta carte, memoria dumneavoastra a inregistrat cam doua milioane de elemente de informatii; ordinea din creierul dumneavoastra a crescut cu circa doua milioane de unitati. Totusi, in timp ce ati citit cartea, ati transformat cel putin o mie de calorii de energie ordonata, sub forma de hrana, in energie dezordonata, sub forma de caldura pe care ati cedat-o aerului din jur prin conversatie si transpiratie. Aceasta va mari dezordinea universului cu circa douazeci de milioane de milioane de milioane de ori mai mult decat cresterea ordinii din creierul dumneavoastra si aceasta daca va amintiti totul din aceasta carte. In capitolul urmator voi incerca sa maresc si mai mult ordinea acestei zone explicand modul in care se incearca combinarea teoriilor partiale pe care le-am descris, astfel incat sa formeze o teorie unificata care ar acoperi totul in univers.
