18 Μαρ ΟΙ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΕΣ, Ο ΧΡΟΝΟΣ ΚΑΙ Η ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΜΑΥΡΩΝ ΤΡΥΠΩΝ | Μέρος Α’
«Τι είναι η θερμότητα;».
Ως τα μέσα του 19ου αιώνα, οι φυσικοί προσπαθούσαν να καταλάβουν τη θερμότητα πιστεύοντας ότι ήταν ένα είδος ρευστού, το «θερμικό», ή δύο ρευστά, ένα ζεστό κι ένα κρύο. Αλλά η ιδέα αποδείχτηκε λανθασμένη. Έπειτα, ο Μάξγουελ και ο Μπόλτσμαν κατάλαβαν κάτι ωραίο, παράξενο και βαθυστόχαστο – κάτι που μας ταξιδεύει σε περιοχές που παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητες.
Αυτό που κατάλαβαν είναι ότι μια ζεστή ουσία δεν είναι μια ουσία που περιέχει θερμικό ρευστό. Είναι μια ουσία στην οποία τα άτομα κινούνται ταχύτερα: άτομα και μόρια, ομάδες συνδεδεμένων ατόμων, κινούνται διαρκώς. Τρέχουν, δονούνται, αναπηδούν και ούτω καθεξής. Ο ψυχρός αέρας είναι αέρας όπου τα άτομα κινούνται πιο αργά. Απλό και ωραίο. Αλλά δεν τελειώνει εδώ.
Η θερμότητα, όπως γνωρίζουμε, πηγαίνει πάντοτε από τα ζεστά πράγματα στα κρύα. Αν τοποθετήσουμε ένα κρύο κουταλάκι σ’ ένα ζεστό τσάι, θα ζεσταθεί. Γιατί η θερμότητα μεταδίδεται από τα ζεστά πράγματα στα κρύα, και όχι αντιστρόφως;
Είναι ένα κρίσιμο ερώτημα επειδή σχετίζεται με τη φύση του χρόνου. Σε κάθε περίπτωση όπου δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας, ή η ανταλλαγή θερμότητας είναι αμελητέα, βλέπουμε ότι το μέλλον συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το παρελθόν. Παραδείγματος χάριν, για την κίνηση των πλανητών του ηλιακού συστήματος η θερμότητα είναι σχεδόν άνευ σημασίας: στην πραγματικότητα, αυτή η ίδια κίνηση θα μπορούσε να γίνεται αντιστρόφως χωρίς να παραβιαστεί κανένας νόμος της φυσικής. Αντιθέτως, μόλις υπάρξει θερμότητα, το μέλλον είναι διαφορετικό από το παρελθόν. Για παράδειγμα, όσο δεν υπάρχει τριβή, ένα εκκρεμές μπορεί να εξακολουθήσει να ταλαντεύεται για πάντα. Αν το κινηματογραφήσουμε και παίξουμε την ταινία ανάποδα,θα δούμε μια κίνηση που είναι απολύτως δυνατή. Αν όμως υπάρχει τριβή, τότε το εκκρεμές θερμαίνει ελαφρώς τα στηρίγματα του, χάνει ενέργεια, και η κίνησή του επιβραδύνεται. Η τριβή παράγει θερμότητα. Και αμέσως είμαστε σε θέση να διακρίνουμε το μέλλον (προς το οποίο το εκκρεμές επιβραδύνει την κίνησή του) από το παρελθόν.
Η διαφορά μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος υπάρχει μόνο όταν μεσολαβεί η θερμότητα. Το θεμελιώδες φαινόμενο που διακρίνει το μέλλον από το παρελθόν είναι το γεγονός ότι η θερμότητα περνάει από τα θερμότερα πράγματα στα ψυχρότερα. Γιατί η θερμότητα μεταδίδεται από τα θερμότερα πράγματα στα ψυχρότερα και όχι το αντίστροφο;
Ο λόγος, τον οποίο ανακάλυψε ο Αυστριακός φυσικός Λούντβιχ Μπόλτσμαν, είναι εκπληκτικά απλός: πρόκειται για καθαρή τύχη. Η ιδέα του Μπόλτσμαν δείχνει οξύνοια: βάζει στο παιχνίδι την ιδέα των πιθανοτήτων. Η θερμότητα δεν κινείται από τα θερμότερα στα ψυχρότερα σώματα βάσει ενός απόλυτου νόμου: απλούστατα έχει πολύ περισσότερες πιθανότητες να κινηθεί με αυτό τον τρόπο διότι είναι στατιστικώς πιθανότερο ένα γρήγορα κινούμενο άτομο της ζεστής ουσίας να συγκρουστεί μ’ ένα ψυχρό άτομο και να αφήσει λίγη από την ενέργεια του, και όχι το αντίστροφο. Η ενέργεια διατηρείται στις συγκρούσεις, αλλά αν οι συγκρούσεις είναι πολλές, τείνει να διανεμηθεί σε περισσότερο ή λιγότερο ίσα μέρη. Έτσι η θερμοκρασία των αντικειμένων που έρχονται σε επαφή τείνει να εξισωθεί. Δεν είναι αδύνατον ένα θερμό σώμα να γίνει θερμότερο στην επαφή του μ’ ένα ψυχρό: απλώς είναι απίθανο. Οι πιθανότητες που σχετίζονται με την επιστήμη της θερμότητας συνδέονται κατά κάποιον τρόπο με την άγνοιά μας. Μπορεί να μην ξέρω κάτι με βεβαιότητα, αλλά μπορώ να αποδώσω έναν μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό πιθανότητας σε αυτό.
Για παράδειγμα, δεν ξέρω αν αύριο θα βρέξει εδώ στη Μασσαλία, αν θα είναι μια μέρα ηλιόλουστη ή αν θα χιονίσει, αλλά η πιθανότητα να χιονίσει αύριο εδώ στη Μασσαλία, τον Αύγουστο, είναι μικρή. Το ίδιο συμβαίνει με τα περισσότερα φυσικά πράγματα: γνωρίζουμε κάτι, αλλά όχι τα πάντα για την κατάστασή τους, και μπορούμε μόνο να κάνουμε προβλέψεις με βάση τις πιθανότητες Κάποιες μορφές συμπεριφοράς είναι πιο πιθανές άλλες πιο απίθανες. Με την ίδια λογική, όταν μόρια συγκρούονται, η πιθανότητα να περάσει η θερμότητα από τα θερμότερα σώματα στα ψυχρότερα μπορεί να μετρηθεί, και αποδεικνύεται πολύ μεγαλύτερη από την πιθανότητα να συμβεί το αντίστροφο.
Μέρος Β’: http://www.lecturesbureau.gr/1/possibilities-time-and-heat-of-black-hole-part-b-617b/
Μέρος Γ’: http://www.lecturesbureau.gr/1/possibilities-time-and-heat-of-black-hole-part-c-617c/
ΕΠΤΑ ΣΥΝΤΟΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ
CARLO ROVELLI
