Visszafordíthatatlanság

Ziman János

"Senki sem fog komolyan venni" - panaszolja a tudományos úttörő, és messze a falkák előtt kutat. Teljes mértékben szimpatizálunk: de nem könnyű „komolyan venni” egy olyan feltételezést, amely vadul ellentétesnek tűnik a valóság kényelmes fogalmaival. ’A Föld megkerüli a napot? Fiddlesticks. ’’ A majmoktól származnak a férfiak? Pshaw! ’’ Sodródó kontinensek? Mi következik? ’Mennyire siralmas a csúfolódás, és mégis mennyire nehéz ezerből kiválasztani azt az ötletet, amely végül is nem olyan téves, mint amilyennek elsőre tűnik.

Bizonyos fokig befolyásolni kell minket a támogató hírnevének. Galilei sok barátságos fülét elvesztette, mert fele túl okosnak tűnt, míg egy olyan szerény és józan tudósra, mint Darwin, gondosan hallgatni kellett. E hírnév relevanciája a kérdéses témában szintén fontos tényező: sok híres tudós kísértésbe esett, hogy szakértői tudásukon túl messzire fújja sajátos szinkráciájának előítéleteit. Ilya Prigogine azonban elnyerte az 1977-es kémiai Nobel-díjat azért a fajta elméleti munkáért, amelyen ez a könyv alapul. Nemcsak a brüsszeli szabadegyetem és a texasi egyetem professzora: széles kulturális érdeklődésű ember is, nagyon energikus és hatékony a tudomány és az oktatás területén. Az alapvető fizikai elmélet időbeli tényezőjével kapcsolatos újszerű elképzeléseit valóban nagyon komolyan kell venni.

Az előadásmód befolyásolja válaszunkat is, és Prigogine professzor kifogástalanul ismerteti érvelését. Úgy gondoltam, hogy néhány diagramja kissé sematikus, de nem hiszem, hogy tetszetősebb vagy meggyőzőbb stílusban készíthette volna el az esetét.

Szerencsére az élet nem ilyen. A legmélyebb tapasztalatunk a visszafordíthatatlanság valóságáról szól: „A rózsa, amely egyszer örökre fújt, elpusztul.” A film visszafuttatása farsangi fantáziát eredményez, nem elfogadható, alternatív mesét. Hogyan fogadhatunk el egy matematikai elméletet, amely ellentmondani látszik mind az emberi létezésnek, mind annak az univerzumnak a kiemelkedő tényének, amelyen belül fejlődött?

A klasszikus mechanika erre a kihívására mintegy száz évvel ezelőtt a hagyományos választ Ludwig Boltzmann adta meg, aki felhívta a figyelmet minden folyamatot előidéző rendellenesség gyakorlati visszafordíthatatlanságára. Például, amikor új csomagot nyitnak, a kártyák szabványos sorrendben vannak, szám szerint és öltönyönként: néhányszor keverje meg, és ez a sorrend elvész. Bármennyire is kevergeti a csomagot, akár százmilliószor, ugyanaz a sorrend soha nem fog visszatérni: a rendről a rendetlenségre való átmenet soha nem fordítható meg. Pedig minden egyes keverési lépést, akárcsak a gáz vagy folyadék részecskéi közötti kölcsönhatást, tökéletesen vissza lehet futtatni, abszurdnak nem tűnve. Más szavakkal, a múlt és a jövő látszólagos aszimmetriája az órák, krizantémok, unokatestvérek és kronológiák szokásos makroszkopikus világában illúzió, és nem feltétlenül érvényes az atomok, elektronok és hasonló „mikroszkopikus” entitások között.

Szinte minden gyakorlati célból ez a válasz elég jól szolgált. Különösen Boltzmann mutatta be a formális kapcsolatot a növekvő rendellenesség e homályos filozófiai fogalma és az egyre növekvő entrópia pontos termodinamikai elve között, amelyet már kifejlesztettek a természetes és mesterséges folyamatok - az időjárás, a gőzgépek, az elektromos akkumulátorok - végtelen sokféleségének megmagyarázására., kémiai reakciók és így tovább. Az elméleti fizika tanulmányozásának egyik legörömtelibb pillanata az, hogy megtanulja a „Boltzmann H-tételének” bizonyítékát, amely megmutatja, hogy a mechanika statisztikai megközelítése, ahol átlagosan mondjuk a rengeteg atom tulajdonságait átlagolják egy aprócska gázbuborék, pontosan a mindennapi mennyiségek, például a nyomás és a hőmérséklet, az energia és a térfogat, az elfolyó hő és az elvégezhető munka közti ismert egyenletekhez vezet.

Ilya Progogine elméleti vizsgálatai egészen a közelmúltig ebben a jól bevált paradigmában rejlenek. Különösen rendkívül kiterjesztette az irreverzibilis termodinamikai folyamatok szerepét a természeti világban. Az ilyen folyamatok hagyományos társulása unalmas egységességgel, bomlással és halállal jár. Figyelmeztettek minket a Nap hőmérsékletének elkerülhetetlen csökkenésére, az egyre inkább rendetlenség és véletlenszerűségre való hajlamra, amely egy olyan üres, hideg és unalmas világegyetem „hőhalálával” végződött, mint egy felesleges gyár télen vasárnap este.

De a Prigogine megmutatta az olyan folyamatok konstruktív szerepét, mint a hő és az elektromosság vezetése, vagy a kémiai átalakulások sorozata egyetlen folyadékban. Ezek a folyamatok általában zökkenőmentesen és eseménytelenül folynak, de ha erősen hajtják őket, gyakran figyelemre méltó térbeli mintákat generálnak, például a gomolyfelhők szabályos „utcáit”, amelyek konvekcióval alakulnak ki egy napsütéses délután; vagy furcsa rendszerességgel megállhatnak és indulhatnak, és lassan dobogó szívként jelölhetik ki az időt. Más szavakkal, az élőlények formái nem statikus egyensúlyi minták, mint a kristály atomjainak sorai, hanem dinamikusan rendeződnek és állandó állapotban vannak fenntartva a Napból érkező hatalmas visszafordíthatatlan energiaáramlással, amely áthalad a mi minden sejtünkön. testek, amelyek elvesznek a levegőben, a meleg és a testi hulladékok. Végül biztosan el kell érnie a hőhalált - de addig az evés, ivás és csókolózásnak nem kell abbahagynia.

Ez egy mély és inspiráló betekintés, amelynek alapvető igazsága lassan elterjed a fizika, a kémia és a biológia minden ágában. De most Prigogine professzor tovább akar menni. E könyv sejtési aspektusa az a javaslat, hogy az idő megfigyelt aszimmetriája, az összes természeti jelenség megszokott visszafordíthatatlansága több, mint „statisztikai illúzió”, és az elsődleges fizikai törvények bizonyos sajátos matematikai jellemzőiből fakad. „Mikroszkopikus” szinten biztosan annyi „válás” kell, mint az időtlen „lény”.

A konvencionális bölcsesség egy ponton biztosan sérülékeny: Boltzmann „bizonyítása” a „H-tételről” nem egészen megalapozott. Könnyen belátható például, hogy miután egy zillion kézbe került, a kártyacsomag visszakeverhető az eredeti sorrendjébe. Véges a valószínűsége annak, hogy a rendből a rendezetlenségbe való átmenet megfordul. A gyakorlatban ez a lehetőség kizárható, de elvileg nem zárható ki. Ez az elméleti fizika középpontjában álló „botrány” sok gondos kutatás tárgyát képezte, de soha nem oldódott meg teljesen.

Ennek a gyengeségnek a kiaknázására Prigogine néhány egészen régi munkára támaszkodik néhány egészen régi probléma kapcsán. A kérdés a következő: egy dinamikus rendszer, például a Nap körül mozgó bolygó vagy a gázban visszapattanó atom többé-kevésbé véletlenszerűen megy keresztül minden lehetséges pályán, vagy hajlamos egy idő után megismételni? valami korábbi út? Ez finom kérdésnek bizonyul, amelynek megválaszolása rendkívül érzékenyen függ a pontos felépítéstől. Néhány rendszer „integrálható”, és így hatékonyan kiszámítható. Mások „ergodikusak”, ennélfogva elég jól kielégítenék a H-tétel feltételeit. Néha ez a kétféle viselkedés keveredik, így egyes pályák ciklikusak, míg mások látszólag véletlenszerűek, a kezdeti feltételektől függően. Gondoljon egy töklabdára, amely végtelenül ugrál egy tökéletesen kockás pályán: ha abszolút egyenesen az egyik falra irányulna, akkor egyetlen vonal mentén előre-hátra ugrálna - különben az egész helyre megy, végül majdnem áthaladva a tér minden pontja. Vagy emlékezzen a Mikado büntetésére a biliárdélezőkért - „valótlan ruhán, sodrott jelzéssel és elliptikus biliárdgolyókkal”.

A matematikai fizika ezen lenyűgöző területét csak most vizsgálják szisztematikusan. Ennek minden bizonnyal nagyon fontos következményei vannak a statisztikai mechanika szempontjából a legalapvetőbb szinten. De nem vagyok teljesen meggyőződve Prigogine érvelésének utolsó lépéseiről, miszerint ez megnyitja az utat az irreverzibilitás beépítésére a mozgás alapegyenleteibe - mondjuk az atomok közötti minden ütközésbe vagy egy instabil elemi részecske formális leírásába. Vázolja egy lehetséges elméleti sémát, először a klasszikus nyelvről a kvantumnyelvre történő átmenetet hajtja végre, majd meghatároz egy operátort, amelyet fizikailag az „entrópiával” lehet azonosítani mikroszkopikus szinten. Úgy tűnik, hogy ő és munkatársai némi előrelépést tettek egy ilyen séma matematikai ábrázolásában, de egyszerűen nem tudtam megmondani, a témára vonatkozó részletes szakirodalom hivatkozása nélkül, hogy viseli-e az általa kifejtett értelmezés súlyát. Még abban sem vagyok biztos, hogy látom-e egy ilyen fejlődés szükségességét: minden kvantumfolyamat lényeges kiszámíthatatlansága már beépíthette benne az idő visszafordíthatatlanságát, amelyet valaha is kívánhatunk. Prigogine itt a megszokott kemény talajról mozog a sejtések vékony jégére.

Jelenleg nem hiszem, hogy azt kéri tőlünk, hogy kritikátlanul fogadjuk el azt az egész gondolatmenetet, amelyet ilyen ésszerűen és igénytelenül mutat be. De mindenképpen arra kell törekednünk, hogy ezt különböző pontokon tisztázzuk és megerősítsük, kiterjesztve a matematikai elemzést és felhasználva fogalmi sémáját, bárhol is segít megérteni ezeket a nagyon mély kérdéseket. A maga részéről elengedhetetlen lesz, hogy túllépjünk egy tisztán formális elméleten, amely csak átalakítja a konvencionális egyenleteket több olyan relációvá, amelyek megfigyelhető következményei pontosan ugyanazok, mint korábban. Várni fogunk tőle néhány olyan előrejelzést az adatokról vagy jelenségekről, amelyek kísérleti igazolása megerősítheti vagy megerősítheti újszerű és ötletes hipotézisét. Amíg ez nem történik meg, a könyv témájára vonatkozó ítéletnek „bizonyítatlannak” kell maradnia, mindazon öröm és megvilágosodás érdekében, amelyet az ember elolvashat az olvasása során.