Ο χρόνος θα ήταν αναστρέψιμος στο γυαλί!

Ερευνητές στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Darmstadt της Γερμανίας και στο Πανεπιστήμιο Roskilde της Δανίας ανακάλυψαν ότι σε ορισμένα υλικά, όπως το γυαλί και ορισμένα πλαστικά, ο χρόνος μπορεί να μην είναι τόσο… μονόδρομος όσο γενικά υποτίθεται, τουλάχιστον με μοριακή έννοια.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο έγκριτο περιοδικό Nature Physics και αποκαλύπτει ότι τα μόρια μέσα σε αυτά τα υλικά μπορούν να βιώσουν αναστρέψιμες κινήσεις στο χρόνο, ένα φαινόμενο που προκαλεί την καθημερινή μας κατανόηση για το πώς περνά ο χρόνος.

Στην καθημερινή ζωή, βιώνουμε τον χρόνο σαν να έχει μόνο μία κατεύθυνση. Ωστόσο, για τους φυσικούς, αυτό δεν είναι προφανές: οι τύποι που περιγράφουν τις κινήσεις, από την εξίσωση του Νεύτωνα έως την εξίσωση του Schrödinger, ισχύουν ανεξάρτητα από την κατεύθυνση του χρόνου ή το βέλος του χρόνου. Για παράδειγμα, ένα βίντεο με ένα εκκρεμές που αιωρείται θα φαινόταν το ίδιο αν παιζόταν προς τα πίσω.

Γιατί λοιπόν δεν βλέπουμε κανονικά τον χρόνο να περνά προς τα πίσω; Η απάντηση βρίσκεται στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η διαταραχή ή εντροπία, σε ένα σύστημα αυξάνεται συνεχώς. Στην καθημερινή ζωή, αυτό μεταφράζεται στην αδυναμία ενός σπασμένου φλιτζανιού να ξαναφτιάχνεται αυθόρμητα ή ένα βραστό αυγό να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση. Με άλλα λόγια, το γεγονός ότι βιώνουμε τον χρόνο σε μία μόνο κατεύθυνση δεν οφείλεται σε φυσικό περιορισμό, αλλά μάλλον στη φυσική τάση των συστημάτων να εξελίσσονται προς πιο διαταραγμένες καταστάσεις.

Τώρα αλλάζει η θεώρηση

Τώρα, ωστόσο, μελετώντας τις μοριακές κινήσεις στο γυαλί και άλλα παρόμοια υλικά, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτές μπορούν να είναι αναστρέψιμες όταν παρατηρηθούν υπό ορισμένες συνθήκες.

Αυτό το φαινόμενο καταγράφηκε για πρώτη φορά χάρη σε ένα απόλυτα ακριβές και πολύπλοκο πείραμα. Χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά ευαίσθητη κάμερα, η ομάδα κατέγραψε πώς το φως λέιζερ που διασκορπίστηκε από ένα γυάλινο δείγμα σχημάτισε μοτίβα παρεμβολής. Αυτά τα μοτίβα, όταν αναλύθηκαν στατιστικά, αποκάλυψαν μοριακές διακυμάνσεις που δεν φαινόταν να κάνουν διάκριση μεταξύ του παρελθόντος και του μέλλοντος, δηλαδή ήταν αναστρέψιμες στο χρόνο.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «υλικός χρόνος», μια έννοια που διατυπώθηκε πριν από 50 χρόνια και υποδηλώνει ότι, όπως ο σωστός χρόνος στη θεωρία της σχετικότητας, ο χρόνος μέσα σε αυτούς τους ρυθμούς ρέει με διαφορετικό ρυθμό, ανάλογα με το πόσο γρήγορα αναδιατάσσουν τα μόριά τους.

Αν και ο μοριακός χρονισμός μπορεί να είναι αναστρέψιμος, οι ερευνητές προειδοποιούν ότι αυτό δεν σημαίνει ότι η γήρανση των υλικών μπορεί να σταματήσει.

Παρά την ενδιαφέρουσα φύση αυτού του ευρήματος, οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Till Böhmer, ήταν προσεκτικοί να επισημάνουν ότι αν και οι μοριακές διακυμάνσεις είναι αναστρέψιμες με την πάροδο του χρόνου, αυτό δεν σημαίνει ότι η ίδια η διαδικασία γήρανσης είναι αναστρέψιμη.

Aυτή η ανακάλυψη αμφισβητεί την καθιερωμένη άποψη για τη ροή του χρόνου, καθώς βασίζεται στη δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής

Τα υλικά συνεχίζουν να γερνούν και πλησιάζουν σε μια κατάσταση ισορροπίας που υπαγορεύεται από τη συνολική εντροπία του συστήματος. Επομένως, ενώ μικρές ταλαντώσεις μορίων μπορεί να έρχονται και να φεύγουν χωρίς να επηρεάζουν σημαντικά τον συνολικό χρόνο, δεν συμβάλλουν στη συνολική διαδικασία γήρανσης του υλικού.

Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης πόσο περίπλοκο και δύσκολο ήταν να πραγματοποιηθούν αυτές οι μετρήσεις. «Ήταν μια τεράστια πειραματική πρόκληση», παραδέχεται ο Böhmer. Η παρατήρηση και η τεκμηρίωση αυτών των μοριακών κινήσεων απαιτούσε εξαιρετικά εξελιγμένο εξοπλισμό και ακρίβεια στη συλλογή δεδομένων.

Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει μια σειρά από συναρπαστικά ερωτήματα. Οι επιστήμονες αναρωτιούνται τώρα αν αυτή η χρονική αναστρεψιμότητα είναι κοινό χαρακτηριστικό άλλων υλικών και πώς αυτό το «εσωτερικό ρολόι» μπορεί να διαφέρει μεταξύ διαφορετικών ουσιών. Επιπλέον, μένει να διερευνηθεί εάν αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες θεωρίες που συνδέουν τη γήρανση του υλικού με τη θεμελιώδη φυσική.

Σε κάθε περίπτωση, το πείραμα δείχνει αποτέλεσμα που σημαίνει ότι, σε ορισμένες συνθήκες, οι μοριακές κινήσεις δεν διαχωρίζουν μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος, προκαλώντας τη συμβατική κατανόηση του χρόνου. Ωστόσο, αυτή η ανακάλυψη δεν σημαίνει ότι μπορούμε να αναστρέψουμε τον χρόνο σε μακροκοσμικά επίπεδα, όπως η γήρανση ή η φθορά των υλικών. Ο νόμος της εντροπίας συνεχίζει να ισχύει, διασφαλίζοντας ότι τα συστήματα εξελίσσονται προς αυξημένο χάος και αποσύνθεση.

Πάντως, αυτή η ανακάλυψη αμφισβητεί την καθιερωμένη άποψη για τη ροή του χρόνου, καθώς βασίζεται στη δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής, η οποία υποστηρίζει ότι η εντροπία (δηλαδή το μέτρο του «χάους») σε ένα σύστημα αυξάνεται συνεχώς, κάτι που οδηγεί στη μη αναστρέψιμη πορεία του χρόνου στην καθημερινότητά μας. Αυτή η νέα γνώση υποδεικνύει ότι σε μικροσκοπικό επίπεδο, ο χρόνος μπορεί να λειτουργεί διαφορετικά.

Η εντροπία είναι ένα θεμελιώδες μέγεθος στη φυσική και τη θερμοδυναμική που χρησιμοποιείται για να περιγράψει το επίπεδο αταξίας ή τυχαιότητας σε ένα σύστημα. Εισήχθη από τον Rudolf Clausius τον 19ο αιώνα και είναι βασικό για την κατανόηση της δεύτερης αρχής της θερμοδυναμικής, η οποία αναφέρει ότι η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος πάντα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, οδηγώντας το σύστημα προς μεγαλύτερη αταξία.

Η εντροπία, με απλά λόγια, μετράει την τάση των συστημάτων να κινούνται από καταστάσεις τάξης προς καταστάσεις αταξίας. Για παράδειγμα:

– Όταν σπάει ένα ποτήρι, η αταξία (εντροπία) αυξάνεται, καθώς τα κομμάτια του ποτηριού διασπείρονται σε περισσότερες θέσεις.

– Ένα αυγό, όταν μαγειρεύεται, δεν μπορεί να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση, λόγω της αύξησης της εντροπίας.

Η έννοια της εντροπίας είναι σημαντική σε πολλούς τομείς της φυσικής, της χημείας, της πληροφορικής και της κοσμολογίας. Συνδέεται επίσης με την ροή του χρόνου, αφού η αύξηση της εντροπίας καθορίζει τη λεγόμενη «βέλος του χρόνου», δηλαδή την αντιληπτή κατεύθυνση της πορείας του χρόνου.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής σχετίζεται άμεσα με την εντροπία. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος τείνει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, οδηγώντας το σύστημα σε μια κατάσταση μεγαλύτερης αταξίας ή ισορροπίας. Αυτός ο νόμος περιγράφει τη φυσική ροπή των ενεργειακών συστημάτων να εξελίσσονται από πιο οργανωμένες προς πιο αταξικές καταστάσεις.

Με απλά λόγια, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ορίζει ότι η ενέργεια τείνει να διασπείρεται και να εξαπλώνεται σε ένα σύστημα. Για παράδειγμα:

• Αυθόρμητες διεργασίες: Η θερμότητα ρέει πάντα από τα θερμότερα στα ψυχρότερα αντικείμενα, και ποτέ το αντίστροφο χωρίς εξωτερική παρέμβαση.
• Μη αναστρέψιμο: Μια τσακισμένη πέτρα ή ένα σπασμένο ποτήρι δεν μπορεί να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση χωρίς πρόσθετη ενέργεια.

Αυτή η τάση για αύξηση της εντροπίας εξηγεί γιατί οι διεργασίες στην καθημερινή ζωή εμφανίζονται μη αναστρέψιμες και γιατί ο χρόνος φαίνεται να ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση (η «βέλος του χρόνου»).