Fizyka 
 
Mikro i makro
Czyli skąd się bierze czas
WGan
Niemal wszystkie teorie fizyczne są niezmiennicze względu na zmianę znaku upływu czasu. Dlaczego więc obserwujemy procesy dla których czas zdaje się być skierowany tylko w jedną stronę?

Równania ruchu bazujące na mechanice Newtona, równania Maxwella opisujące zjawiska elektromagnetyczne, równania ogólnej teorii względności – wszystkie są niezmiennicze względem odbicia czasu. Oznacza to, że w myśl opisywanych przez nie teorii – czas nie ma wyróżnionego kierunku i równie dobrze może biec w taki sposób jaki znamy – jak i w kierunku przeciwnym. Na tym tle nieco wyłamuje się mechanika kwantowa która rozważa nie tyle zachowania układu kwantowego, go prawdopodobieństwo zachowania. To nieco łamie symetrię czasu, bo o ile przyszłe stany układu możemy przewidzieć przypisując im obliczone prawdopodobieństwa, to przeszłość jest określona. Stan w jakim układ się znajduje jest znany, choć dopiero po tym jak ten stan zaobserwujemy. Tu symetrię czasu łamie obserwacja. Wiem że brzmi to dziwnie, ale to temat na oddzielne rozważania, które proponuję pominąć rozważając naturę czasu.

Mimo, że wszystkie teorie stosujące się do otaczającego nas świata – pozwalają na odwracanie kierunku przebiegu zjawisk, to na co dzień obserwujemy, że niemal wszystkie zachowania są wyraźnie jednokierunkowe. Widzimy jak odcięta gałąź spada z drzewa, ale nigdy1 nie widzieliśmy jak wraca na miejsce. Na złomowisku nie obserwujemy specjalnie często naprawiających się samochodów. Ba, nawet nikt nie zaobserwował tak czegoś tak prostego – jak odwrócenie rdzewienia. Więc jak to jest z tą odwracalnością ruchu? Ktoś tu oszukuje.

Cóż. Po pierwsze, to nie da się zmienić całkowitej energii. Nawet więcej – nie da się zmienić całkowitej energii mechanicznej (lub ogólniej – energii swobodnej) jakiegoś układu, bez energetycznej ingerencji z zewnątrz. Oczywiście poza utratą tej energii na rzecz energii cieplnej. Energii która jest mało użyteczna. No chyba że w czasie mrozów. Układ sam się nie naprawi – na to nie mamy co liczyć nawet gdybyśmy bardzo długo czekami. Tu niezbędna będzie włożona praca – zarówno w sensie fizycznym jak i potocznym.

A czy układ może sam się psuć? Tu warto na chwilę się zatrzymać nad tym co to znaczy to słowo. W sensie fizycznym. Bo co to znaczy, że coś jest popsute? Może tak: „Nie zachowuje się poprawnie”. Czyli nie według reguł. Reguł które bardzo mocno ograniczają zachowanie układu. Stan działania jest w pewnym sensie wyjątkowy. O wiele więcej jest możliwości nie-działania. Wystarczy że zepsuje się jedne podzespół i w punktu „działa” będącym punktem w przestrzeni wszystkich stanów układu. Punktem z którego można wystartować, ale bardzo trudno trafić z powrotem.

Ale jaki to ma związek z równaniami ruchu? Właściwie to dość spory – bo równania, które dla uproszczenia, na lekcjach, opisują zachowanie punktów materialnych, nagle przestają dotyczyć punktów, a dotyczą wszystkich tych fragmentów które kiedykolwiek w swojej historii były oddzielone od reszty. W zasadzie – to powinniśmy tu zejść na poziom atomów, rozpatrując oddziaływanie wszystkich ze wszystkimi, i to oddziaływanie nie tylko grawitacyjne, ale przede wszystkim elektromagnetyczne. No i wypadałoby, żeby te równania, co my je rozwiązujemy – były raczej równaniami mechaniki kwantowej, bo na tym poziomie, mechanika klasyczna już nie działa.

Rozwiązanie takich równań, jest w zasadzie niemożliwe, ale i tu fizyka znalazła wyjście tworząc mechanikę statystyczną, w której wprowadza się pojęcia mikro- i makro- stanu. Czyli tego jak rzeczywistość wygląda z poziomu elementów składowych materii, oraz tego jak wygląda z naszego punktu widzenia czyli dość ogólnikowo. Mikrostan – to położenia, pędy, momenty pędów, momenty magnetyczne i inne właściwości wszystkich cząstek składowych, makrostan – to zbiór właściwości na których nam akurat zależy. To jak z wyborcami. Nie jest istotne kto konkretnie będzie na nas głosował, tylko ilu będzie głosować „za” a ilu – „przeciw”.

Co ważne – makrostan nie są równie prawdopodobne. Jeśli założymy, że każdy możliwy mikrostan jest równie prawdopodobny, to częstość występowania konkretnego makrostanu

Jeśli zrezygnujemy z „programu równych szans” – czyli równego prawdopodobieństwa, jedyne co się zmieni – to konieczność dodania miary – czyli wprowadzenie miary gęstości, którą bardzo łatwo uwzględnić w obliczeniach. Nadal pozostanie nam pojęcie objętości w przestrzeni stanów. Objętość, której miarą jest tajemnicza entropia – opisująca ilość informacji.

Bo im większy jest makrostan, tym bardziej prawdopodobne, że układ fizyczny, w czasie swej wędrówki poprzez ewolucję w czasie – zawędruje. A w zasadzie – tym bardziej prawdopodobne że się w nim aktualnie znajduje.

Lecz dlaczego odczuwamy upływ czasu? Cóż… Fizyka nie jest dobrym wstępem do psychologii która operuje na makrostanach tak bardzo odległych od tego co opisuje fizyka, że nikt nawet nie próbuje ich ze sobą wiązać.


1
 poza przypadkami naprawdę silnej wichury
 
Opinie
 
Facebook
 
  
39422 wyświetlenia

numer 11-12/2017
2017-12-10

Od redakcji
Aktualności
Fizyka
Historia
Kącik poezji
Literatura
Matematyka
Polityka
Psychologia
Rozmaitości
Teorie spiskowe
Zrób to sam

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net