Επιστήμονες απέδειξαν την αναστροφή του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου

Μέσα από ένα αξιοσημείωτο πείραμα, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων διαπίστωσε ότι είναι δυνατό να αναστραφεί το βέλος του χρόνου χωρίς να παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Η έρευνά τους επιβεβαιώνει ότι έχουμε ακόμα πολλά να μάθουμε για τον κόσμο γύρω μας.
Στις φυσικές επιστήμες, το βέλος του χρόνου είναι ένας όρος που πλάστηκε το 1927 από το βρετανό αστρονόμο Arthur Eddington, που τον χρησιμοποίησε για να διακρίνει μια κατεύθυνση του χρόνου σε έναν τετραδιάστατο σχετικιστικό χάρτη του σύμπαντος. Σύμφωνα δε με τον Eddington, το βέλος του χρόνου μπορεί να οριστεί μελετώντας την οργάνωση των ατόμων, των μορίων, και των οργανισμών.
Το 1856 ο γερμανός φυσικός Hermann von Helmholtz έκανε ίσως την πιο μελαγχολική πρόβλεψη στην ιστορία της επιστήμης. Το σύμπαν, ισχυρίστηκε ο Helmholtz, πεθαίνει. Η βάση αυτής της ζοφερής δήλωσης ήταν ο λεγόμενος δεύτερος Νόμος της θερμοδυναμικής. Ο εν λόγω νόμος διατυπώθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 19ου αιώνα ως μια πρόταση σχετικά με την απόδοση των θερμικών μηχανών. Σύντομα, όμως, αναγνωρίστηκε η σημασία του για ολόκληρο το σύμπαν και οι όντως κοσμικές συνέπειες του.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία (το μέτρο της αταξίας) θα αυξάνεται με το χρόνο και η κίνηση της θερμότητας θα ρέει πάντα από τα θερμότερα σώματα στα πιο ψυχρά. Στην απλούστερη εκδοχή του, ο δεύτερος Νόμος ορίζει ότι η θερμότητα ρέει πάντα αυθόρμητα από τα θερμά στα ψυχρά σώματα και ποτέ από τα ψυχρά στα θερμά χωρίς να δαπανήσουμε ενέργεια.
Η ροή της θερμότητας, όμως, έχει μόνο μία κατεύθυνση, και επομένως η παραπάνω διαδικασία παρουσιάζει ασυμμετρία στο χρόνο. Μια ταινία που θα έδειχνε θερμότητα να ρέει αυθόρμητα από ένα ψυχρό σ’ ένα θερμό σώμα θα φαινόταν το ίδιο παράξενο με ένα ποτάμι που ρέει προς την κορυφή ενός λόφου ή με σταγόνες βροχής που ανεβαίνουν προς τα σύννεφα. Μπορούμε, επομένως, να αναγνωρίσουμε μια θεμελιώδη κατεύθυνση στη ροή της θερμότητας, η οποία συχνά αναπαριστάται με ένα βέλος που δείχνει από το παρελθόν στο μέλλον. Αυτό το «βέλος του χρόνου» δείχνει τη μη αντιστρεπτή φύση των θερμοδυναμικών διεργασιών, και η ύπαρξη του έχει γοητεύσει τους φυσικούς τα τελευταία εκατόν πενήντα χρόνια.
Ωστόσο, ένα νέο πείραμα από μια διεθνή ομάδα ερευνητών δείχνει ότι το θερμοδυναμικό «βέλος του χρόνου» δεν είναι μια απόλυτη έννοια. Για το πείραμά τους, οι ερευνητές εξέτασαν συσχετισμένα σωματίδια. Αυτά είναι εννοιολογικά παρόμοια με τα εναγκαλισμένα σωματίδια που βρίσκονται στο επίκεντρο της κβαντικής έρευνας, αλλά δεν είναι τόσο στενά συνδεδεμένα.
Οι ερευνητές εξέτασαν στο πείραμά τους το μόριο τριχλωρομεθάνιο, το οποίο αποτελείται από υδρογόνο και άνθρακα. Στη συνέχεια έκαναν τον πυρήνα του ατόμου υδρογόνου θερμότερο από τον πυρήνα του ατόμου άνθρακα και παρακολούθησαν τη ροή της ενέργειας.
Όταν οι πυρήνες των δύο ατόμων δεν ήταν συσχετισμένοι, η θερμότητα έρεε από τον θερμότερο στον ψυχρότερο πυρήνα, όπως αναμενόταν. Αλλά όταν συσχετίστηκαν, η θερμότητα έρεε «προς τα πίσω», δηλαδή ο θερμότερος πυρήνας έγινε θερμότερος και ο ψυχρότερος πυρήνας, ψυχρότερος.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το πείραμά τους δεν παραβιάζει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, επειδή ο νόμος δεν λαμβάνει υπόψη συσχετισμένα σωματίδια. Το πείραμά τους αποκαλύπτει απλώς μια εξαίρεση στον κανόνα.
Αυτό το πείραμα είναι ένα ακόμη παράδειγμα της επιστήμης που μας παρέχει προηγουμένως άγνωστες πληροφορίες για τον μυστηριώδη κόσμο γύρω μας και κάθε νέα ανακάλυψη οδηγεί φαινομενικά σε νέες ερωτήσεις.
Καθώς όλο και περισσότερη έρευνα πηγαίνει προς την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, οι επιστήμονες διαπιστώνουν ότι έχουμε ακόμα πολλά να μάθουμε για τον κβαντικό κόσμο και τις ιδιότητες του σύμπαντος. Ειδικά η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη, παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεξήγητες παρά τις σχετικές έρευνες.
Το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου που προβλέπεται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, λέει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα η εντροπία αυξάνεται μόνο με το χρόνο. Η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί ως μέτρο της αταξίας ή της αναταραχής, κατά συνέπεια ο δεύτερος νόμος υπονοεί ότι ο χρόνος είναι ασυμμετρικός όσον αφορά την ποσότητα της τάξης σε ένα απομονωμένο σύστημα: δηλαδή καθώς ο χρόνος αυξάνεται, ένα σύστημα θα αποκτάει περισσότερη αταξία. Αυτή η ασυμμετρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί εμπειρικά για να διακρίνουμε μεταξύ του μέλλοντος και του παρελθόντος. Πλέον γνωρίζουμε ότι είναι δυνατό να αναστραφεί το βέλος του χρόνου χωρίς να παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Πηγές: Futurism & Physics4u.gr
Θάνος Σ. Επαχτίτης