Strzałka czasu
Z Wikipedii
 |
Niektóre informacje zawarte w artykule wymagają weryfikacji. Zajrzyj na stronę dyskusji, by dowiedzieć się, jakie informacje budzą wątpliwości. |
Strzałka czasu - oznacza kierunek upływu czasu. Pojęcie wprowadzone i spopularyzowane przez brytyjskiego astrofizyka Arthura Eddingtona w 1927 roku, autora książki "The Nature of the Physical World", która została opublikowana rok później. Czas upływa zawsze w kierunku od przeszłości do przyszłości, a nigdy odwrotnie, czyli jest jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny. Czas można podzielić na przeszły, teraźniejszy i przyszły. Synonimy strzałki czasu: kierunek czasu, asymetryczność czasowa, anizotropia czasu, nieodwracalność czasu i jednokierunkowość czasu.
| Strzałka czasu | ||
|---|---|---|
 |
||
| przeszłość | teraźniejszość | przyszłość |
Spis treści |
[edytuj] Procesy odwracalne i nieodwracalne
Ze względu na odbicie w czasie wyróżnia się dwa rodzaje procesów fizycznych:
- procesy odwracalne (symetryczne czasowo)
- procesy nieodwracalne (niesymetryczne czasowo).
[edytuj] Procesy odwracalne
Koncept idealistyczny - czas nie odgrywa w nich roli, czyli istnieje możliwość powrotu do stanu poprzedniego wszystkich części, z których składa się dany system. Dotyczą układów zamkniętych i procesów statycznych lub cyklicznych, czyli powtarzających się, w których stabilność i porządek są zawsze zachowane. Procesami odwracalnymi są głównie zjawiska zachodzące w skali mikroskopowej opisane zasadami dynamiki i równaniami Maxwella. Wyidealizowane przykłady procesów odwracalnych: ruch ciał bez tarcia, ruch wahadła, w pewnym uproszczeniu także ruch Ziemi i Księżyca. Jeżeli zostanie odwrócony kierunek czasu w prawach fizycznych przez podstawienie -t w miejsce t, prawa w dalszym ciągu dają poprawne rozwiązania. Odwrócenie czasu poprzez zapisanie na taśmie filmowej i odtworzenie od tyłu w dalszym ciągu zachowuje sens zjawisk.
[edytuj] Procesy nieodwracalne
Koncept realistyczny - czas odgrywa kluczową rolę, procesy przebiegają zgodnie ze strzałką czasu, czyli przedstawia jednokierunkową drogę ewolucji danego systemu, podczas której mają miejsce dynamiczne, nieodwracalne, unikalne, niecykliczne i nie powtarzające się procesy i zdarzenia przebiegające w sposób nieliniowy oraz nie istnieje możliwość powrotu do stanu z przeszłości, jeżeli układ osiągnął nowy stan. Dotyczy układów termodynamicznie otwartych w stanie dalekim od równowagi z otoczeniem. W stanie równowagi z otoczeniem system taki może działać jako proces odwracalny. Zapisane na taśmie filmowej i odtworzone od tyłu są z antropocentrycznego punktu widzenia bezsensowne, na przykład ze stopniałego śniegu powstawałby bałwan, kawałki potłuczonego wazonu łączyłyby się ponownie w całość, czy jabłka, które spadły na ziemię podnosiłyby się, aby ponownie zawisnąć na jabłoni. Procesami nieodwracalnymi są niemal wszystkie zjawiska zachodzące w realnym świecie w skali makroskopowej. Przykłady procesów nieodwracalnych: starzenie się ludzi oraz wszystkich innych żywych organizmów, stygnięcie gorącej herbaty w filiżance postawionej na stole, utlenianie metalicznego magnezu w powietrzu, topnienie bałwanów, rzut kamieniem w wodę czy też spadanie jabłek z drzewa.
Żadne prawa fizyczne nie wykluczają odwrócenia czasu, ale prawo statystyczne czyni je nieprawdopodobnym. Jak do tej pory nie zaobserwowano w naturze procesów odwrotnych, tzn. prawdopodobieństwo odwrotnego zjawiska jest nieskończenie małe, a więc zjawisko takie jest praktycznie niemożliwe.
Podczas procesów nieodwracalnych dochodzi do rozproszenia energii w postaci ruchów termicznych wielu cząsteczek. Proces odwrotny mógłby zajść, jedynie przy ponownym skupieniu się rozproszonej energii, co wymagałoby niezwykle wyjątkowej synchronizacji drgań trylionów cząsteczek.
Przykład procesu nieodwracalnego:
 Wytworzenie jajka |
 Wybicie jajka ze skorupki |
 Gotowanie jajek |
 Smażenie jajek |
[edytuj] Rodzaje strzałek czasu
Wyróżniamy następujące rodzaje strzałek czasu:
- kosmologiczną
- termodynamiczną
- radiacyjną
- kwantową
- przyczynową
- psychologiczną
- biologiczną
- socjologiczną.
[edytuj] Kosmologiczna strzałka czasu
Określa kierunek czasowy od Wielkiego Wybuchu (Big Bang) w stronę przyszłości, podyktowany ciągłym rozszerzaniem się Wszechświata (nazywanym też ekspansją Wszechświata), czyli nieustannym oddalaniem się od siebie ciał niebieskich. Rozszerzanie się Wszechświata niezależne od kierunku obserwacji kosmosu zostało empirycznie potwierdzone przez Edwina Hubble'a w 1929, ale już w 1922 rosyjski fizyk i matematyk Aleksander Friedmann na bazie rozważań teoretycznych poddał krytyce model statycznego Wszechświata. Kosmologiczna strzałka czasu zajmuje miejsce uprzywilejowane, albowiem wszystkie inne strzałki w sposób bezpośredni lub pośredni są od niej uzależnione, jako że wszyscy i wszystko stanowią część Wszechświata (Universe).
Zdaniem fizyków grawitacyjny kolaps mógłby spowodować odwrócenie tej strzałki. Niektórzy fizycy twierdzą, że w skali kosmicznej strzałka czasu prowadzi świat w stronę śmierci cieplnej (Big Chill)[1]. Hipoteza ta opiera się na dwóch założeniach. Pierwsze założenie: entropia Wszechświata stale rośnie, albowiem w procesie ewolucji układy prostsze przechodzą w formy bardziej złożone i wysoko zorganizowane w wyniku przemian odbywających się kosztem wzrostu entropii otoczenia. Drugie założenie: ostatecznie Słońce umrze podobnie jak inne gwiazdy, ilość energii słonecznej zacznie się najpierw zmniejszać, aż wreszcie stanie się niewystarczająca do podtrzymania życia na Ziemi.
Istnieje wiele innych hipotez próbujących wyjaśnić początki Wszechświata. Australijski filozof Huw Price sugeruje, że w swych początkach Wszechświat charakteryzował się bardzo niską entropią. Podobnego zdania jest Alan Guth, który zaproponował hipotezę inflacji kosmologicznej. Do tej pory nie opracowano ostatecznej, naukowej wizji początku Wszechświata.
| Kosmologiczna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| Entropia = 0 | ekspansja | Entropia = maksimum |
[edytuj] Termodynamiczna strzałka czasu
Jest związana z drugą zasadą termodynamiki i pojęciem entropii, stąd czasami nazywana entropijną strzałką czasu. Entropia stanowi łącznik między zasadami termodynamiki (opis makroskopowy) a światem mikroskopowym opisywanym przez fizykę statystyczną. Według drugiej zasady termodynamiki dla procesu zachodzącego w układzie termodynamicznie izolowanym entropia nie maleje. W 1877 Ludwig Boltzmann uzasadnił drugą zasadę termodynamiki opierając się o fizykę statystyczną, określając entropię jako funkcję prawdopodobieństwa danego stanu materii - stan bardziej prawdopodobny, to stan o wyższej entropii. Co jest równoważne stwierdzeniu, że entropia zależy w sposób rosnący od liczby sposobów, na jakie może zostać zrealizowany dany makrostan. Oznacza to, że w przyrodzie układy przechodzą do bardziej prawdopodobnych makrostanów.
Zobacz więcej w osobnym artykule: Termodynamiczna strzałka czasu.| Termodynamiczna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| porządek | entropia wzrasta | chaos |
Przykład: topnienie śniegu.
 Płatek śniegu pod mikroskopem |
 Śnieg |
 Śnieg na drzewach |
 Kałuża po stopniałym śniegu |
[edytuj] Radiacyjna strzałka czasu
Dotyczy fal elektromagnetycznych, od fal radiowych, poprzez dźwiękowe, po fale mechaniczne powstałe na powierzchni wody po wrzuceniu kamienia do stawu. Takie fale rozchodzą się zawsze od źródła na zewnątrz a ich bieg jest związany z upływem czasu. Tym niemniej równania Maxwella dopuszczają istnienie fal biegających od źródła ale wstecz w czasie (dla ujemnego czasu). Dotychczas nie udało się zaobserwować fal biegających wstecz czasu. Czasami ta strzałka jest nazywana elektromagnetyczną strzałką czasu.
| Radiacyjna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| źródło fal | rozchodzenie się | otoczenie |
[edytuj] Kwantowa strzałka czasu
Przedstawia interpretację strzałki czasu według fizyki kwantowej, w oparciu o następujące założenia:
- czasowo symetryczne równanie Schrödingera;
- nieodwracalny w czasie kolaps (redukcja) pakietu falowego, który na poziomie mikroskopowym wydaje się nie przyczyniać do zmniejszenia lub zwiększenia entropii;
- twierdzenie Leonida Mandelstama i Igora Tamma, że nie jest możliwe, z dowolną dokładnością, jednoczesne wyznaczenie czasu życia nietrwałej cząstki i energii stowarzyszonej z nią fali de Broglie'a, a więc strzałka czasu nie jest określona dla pojedynczej cząstki, lecz jest wielkością statystyczną.
Teoria względności Alberta Einsteina nie odwołuje się do jednego i absolutnego czasu, lecz uwzględnia uniwersalną prędkość światła i przyjmuje, że jest ona stała we wszystkich układach odniesienia, poruszających się względem siebie jednostajnie. Równoczesność zdarzeń jest względna i zależna od układu odniesienia. Takie efekty są w normalnym życiu niezauważalne, tylko dlatego, że na co dzień mamy do czynienia z małymi prędkościami w porównaniu do prędkości światła.
Niektórzy fizycy sugerują, że na poziomie fundamentalnym nie ma czasu, ani przestrzeni [2]. Twierdzą, że czas i przestrzeń dotyczą świata makroskopowego i pojawiają się dopiero na wyższych poziomach złożoności, które powstały w procesie ewolucji z układów prostszych kosztem entropii Wszechświata. Hipoteza opiera się na założeniu, że na poziomie zderzających się cząstek strzałka czasu może wskazywać w dowolnym kierunku, a prawa fizyczne pozostaną zachowane. Do tej pory fizykom nie udało się stworzyć tak zwanej Teorii Wszystkiego (Theory of Everything), czyli kwantowej teorii grawitacji, która łączyłaby w sobie: oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływania jądrowe oraz grawitacyjne z fizyką kwantową i ogólną teorią względności, a ponadto uwzględniała jeszcze pojęcia czasu i przestrzeni.
Inni fizycy uważają, że właśnie na poziomie kwantowym tkwi podstawa procesów, które ujawniają się jako termodynamiczna strzałka czasu [3]. Stało się tak głównie za sprawą kaonów, które zostały odkryte w 1947. Kaony są cząstkami subatomowymi i mogą być elektrycznie obojętne, naładowane dodatnio lub naładowane ujemnie. Powstają w zderzeniach protonów i neutronów w ułamku nanosekundy, żyją kilka nanosekund, po czym rozpadają się do pionów, przy czym proces ich rozpadu trwa całą nanosekundę, a więc jest znacznie dłuższy w czasie od procesu powstawania. Kaony łamią zasadę odwracalności w czasie, albowiem proces powstawania i rozpadu kaonów nie stanowią swoich odwrotności w czasie.
Powstawanie kaonów (ułamek nanosekundy) 
Rozpad kaonów (cała nanosekunda) 
W 1970 fizyk Yuval Neeman postawił hipotezę, że "kierunek czasu odczuwany przez kaony jest bezpośrednio związany z ruchem kosmologicznym. Dlatego gdyby Wszechświat się kurczył, a nie rozszerzał, czasowa asymetria miałaby przeciwny kierunek, a materia we Wszechświecie kurczącym się jest identyczna jak antymateria we Wszechświecie rozszerzającym się".[4]
Obecnie naukowcy zajmują się badaniem naruszenia symetrii względem odwrócenia czasu przez kaony, aby potwierdzić lub wykluczyć tezę, mówiącą że neutrony, z których zbudowana jest zwykła materia, mają wewnętrzne poczucie kierunku upływu czasu. Potwierdzenie tej hipotezy oznaczałoby, że przeszłość i przyszłość są odciśnięte w strukturze materii na bardzo podstawowym poziomie.
[edytuj] Przyczynowa strzałka czasu
Wskazuje, że przyczyny poprzedzają efekty, czyli że przyczyny tkwią zawsze w przeszłości, a dopiero potem następują skutki, których jesteśmy świadkami. Interpretując w inny sposób można powiedzieć, że stany początkowe są zawsze prostsze (bardziej uporządkowane) niż stany końcowe (chaotyczne), na przykład: rozbita szklanka.
| Przyczynowa strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| przyczyny | skutki | |
 Ścieki chemiczne (przyczyny) |
 Odpady i śmieci (przyczyny) |
 Zakaz kąpieli (skutki) |
 Śnięte ryby (skutki) |
[edytuj] Psychologiczna strzałka czasu
Tkwi w każdym człowieku i ma postać pamięci. Pamięć rejestruje, przechowuje i przywołuje informacje z przeszłości, a więc porządkuje zdarzenia w życiu człowieka oraz wyznacza przedziały czasowe między nimi, a także kieruje świadomością. Ludzka pamięć nie ma zdolności rejestrowania tego, co dopiero ma się wydarzyć w przyszłości. Percepcja czasu jest jednokierunkowa. Realna jest teraźniejszość czyli obecna chwila.
Proces zapamiętywania polega na tworzeniu porządku, czyli zmniejszaniu entropii mózgu kosztem wzrostu entropii otoczenia. Według Rogera Penrosa przeszłość każdego człowieka jest jednoznacznie określona, natomiast jego przyszłość rozgałęzia się na wiele możliwości - modyfikacja pojęcia czasoprzestrzeni wprowadzonego przez Hermanna Minkowskiego.
| Psychologiczna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| pamięć | obecna chwila | możliwości |
[edytuj] Biologiczna strzałka czasu
Ilustruje ewolucję żywych organizmów zachodzącą wraz z upływem czasu: od prostych organizmów jednokomórkowych do złożonych, wysoko zorganizowanych organizmów wielokomórkowych.
| Biologiczna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| proste formy | ewolucja | złożone formy |
Entropia systemu (żywy organizm + otoczenie) wzrasta w miarę upływu czasu zgodnie z drugą zasadą termodynamiki i jest określana mianem termodynamicznej asymetrii świata.
Ilustracja paradoksu między drugą zasadą termodynamiki a ewolucją życia na ziemi:
| 2 zasada termodynamiki | ||
|---|---|---|
|
||
| porządek | życie | chaos |
| Ewolucja życia | ||
|---|---|---|
|
||
| chaos | ewolucja | porządek |
Fizycy i chemicy dokładnie opracowali mechanizmy funkcjonowania organizmów i wyjaśnili tajemnicę biologicznej strzałki czasu. W pierwszej połowie XX w funkcjonował pogląd, że organizmy żywe łamią II zasadę termodynamiki mówiącą o wzroście entropii. Kluczem do wyjaśnienia zdolności żywych organizmów będących układami termodynamicznie otwartymi do zwiększania stopnia organizacji i odwracania zmian entropii jest negentropia, pojęcie wprowadzone przez Erwina Schrödingera w książce What is life?. Negatywna entropia odpowiada za pozostawanie żywych organizmów w stanie dalekim od równowagi z otoczeniem i pozwala uniknąć postępu w kierunku chaosu. W stanie równowagi termodynamicznej z otoczeniem (equilibrium) dochodzi do śmierci żywego organizmu i rozkładu (death and decay). W przyrodzie występują obok siebie procesy zmierzające w kierunku chaosu, jak i procesy przeciwne - spontanicznego wzrostu i samoporządkowania. Te dwa rodzaje procesów (wzrostu i rozkładu, życia i śmierci) są ze sobą nierozerwalnie połączone [5], [6] i [7].
W publikacji swej Schrödinger nie podaje czym jest negentropia, wyjaśnia to później ale nie dokładnie co w dalszym ciągu wywołuje dyskusje. Fizycy interpretując pracę, a także notę do pracy skłaniają się ku temu że negentropia, to maksymalna energia jaką organizm może przekształcić w pracę zwana entalpią swobodną lub funkcją Gibbsa.[8]
W opublikowanej w 1982 książce Principles of Biochemistry amerykański biochemik Albert Lehninger, argumentuje, że wytwarzaniu porządku w komórkach towarzyszy wzrost nieporządku w otoczeniu, który kompensuje a nawet przewyższa wzrost porządku w komórkach. Lehninger, wyjaśnia "organizmy żywe utrzymują swój wewnętrzny porządek przez pobieranie z otoczenia energii swobodnej w formie pożywienia lub światła, a oddaje do otoczenia równoważną ilość energii w postaci energii cieplnej wraz z towarzyszącą mu entropią." [9]
Badaniem nieodwracalności i nieliniowości procesów w stanach dalekich od równowagi z otoczeniem zajmował się Ilya Prigogine.
 Wzrost i rozwój kwiatów |
 Wzrost i rozwój pędów |
 Rozkład owocu |
 Rozkład martwego ptaka |
[edytuj] Socjologiczna strzałka czasu
Odnosi się do niepowtarzalności ludzkiego działania, unikalności wydarzeń, formowania obyczajów w zależności od czasu i ciągłego zmierzania ludzkości ku nowemu. W związku z powyższym powrót ludzkości na aktualnym etapie rozwoju do epoki kamienia łupanego jest niemożliwy.
| Socjologiczna strzałka czasu | ||
|---|---|---|
|
||
| historia | aktualność | przyszłość |
[edytuj] Przypisy
- ↑ Grant T., Woods A., Reason in Revolt, [1]
- ↑ Heller M. ks., Czas człowieka i czas kosmosu, Watykańskie Obserwatorium Astronomiczne w Castel Gandolfo, [2]
- ↑ Davis P., Strzałka czasu, [3]
- ↑ "Zakrzywiony Wszechświat"
- ↑ [http://www.bu.edu/wcp/Papers/TKno/TKnoAlte.htm Altekar E.V., Arrow of Time: Towards a New Epistemology of Science, University of Pune]
- ↑ Mae-Wan Ho, What is (Schrödinger's) Negentropy?, Bioelectrodynamics Laboratory, Open university Walton Hall, Milton Keynes
- ↑ Grant T., Woods A., Reason in Revolt
- ↑ Mae-Wan Ho, What is (Schrödinger's) Negentropy?, Bioelectrodynamics Laboratory, Open university Walton Hall, Milton Keynes
- ↑ Lehninger Albert Principles of Biochemistry, 2nd Ed., Worth Publishers, 1993, ISBN 0-87901-711-2
[edytuj] Materiały źródłowe
W języku polskim:
- Davis P., Strzałka czasu, [4]
- Durka R., Kierunek czasu i nie tylko, Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 23 maja 2006, [5]
- Heller M. ks., Czas człowieka i czas kosmosu, Watykańskie Obserwatorium Astronomiczne w Castel Gandolfo, [6]
- Nijakowski L., O powstaniu Wszechświata, Res Humana nr.1/2000, [7]
- Panczykowski M., Nauki przyrodnicze: fizyka, biologia i chemia, [8]
- Tkacz-Śmiech K., Czas w procesach odwracalnych i nieodwracalnych, AGH, WIMiC, [9]
W języku angielskim:
- Altekar E.V., Arrow of Time: Towards a New Epistemology of Science, University of Pune, [10]
- Cirkovic M.M., The Thermodynamical Arrow of Time: Reinterpreting the Boltzmann - Schuetz Argument, Foundation of Physics, vol.33, no.3, March 2003, [11]
- Coveny P., Chaos, entropy and the arrow of time, New Scientist, zaktualizowany 4 sierpnia 2003, [12]
- Cramer J.G., Velocity Reversal and the Arrows of Time, Department of Physics, University of Washington, Seattle, Foundation of Physics, no.18, 1205, 1988, [13]
- Grant T., Woods A., Reason in Revolt, [14]
- Mae-Wan Ho, What is (Schrödinger's) Negentropy?, Bioelectrodynamics Laboratory, Open university Walton Hall, Milton Keynes, [15]
- Price H., Time's Arrow and Archimedes' Point, Oxford University Press, Oxford 1996, [16]
