Mokslininkai tyrinėja, kaip teka laikas (7)
Žmogus tiek laiką, tiek praeities, dabarties ir ateities skirtumus suvokia labai intuityviai. Tačiau Edvardas Fengas (Edward Feng) iš Kalifornijos universiteto Berklyje bei Gevinas Kruksas (Gavin Crooks) iš Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos teigia, jog mokslas nepateikia aiškaus laiko sąvokos apibrėžimo.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
„Kasdieniame gyvenime juntame, kad laikas nesustodamas eina tik iš praeities į ateitį: vanduo teka žemyn, vyksta kalnų erozija, mes gimstame, senstame ir mirštame, – pasakoja mokslininkai. – Mes numatome ateitį ir prisimename praeitį. Daugelis fundamentalių fizikos teorijų – klasikinė mechanika, elektrodinamika, kvantinė mechanika, bendroji reliatyvumo teorija ir kitos – yra simetriškos laiko apgręžimo atžvilgiu“.
„Vienintelė fundamentali teorija, kuri atsižvelgia į laiko kryptį, yra antrasis termodinamikos dėsnis, kuris teigia, jog bėgant laikui Visatos entropija didėja. Antrasis termodinamikos dėsnis išskiria laiko kryptingumą, todėl manoma, kad visos kitos su laiku susijusios asimetrijos (pavyzdžiui, mūsų nuojauta, leidžianti pajusti praeities ir ateities skirtumą) tiesiogiai išplaukia iš šio termodinaminio kryptingumo”.
Savo darbe, išspausdintame „Physical Review Letters“, mokslininkai pateikia metodą, kuriuo galima tiksliai išmatuoti laiko asimetriją (simetrija pasireiškia tada, kai nėra jokio skirtumo tarp praeities ir ateities).
Tyrėjų sugalvoto metodo esmę geriausiai atskleidžia paprastas pavyzdys. Jeigu makroskopiniame pasaulyje išpilsite pieno stiklinę – laiko asimetrija akivaizdi. Tačiau mikroskopiniame pasaulyje dėl itin mažų energijos kiekių žymiai sunkiau pasakyti, ar entropija iš tikrųjų didėja ir laikas teka ne atgal, o pirmyn. Tiesą sakant kai kada entropija gali netgi mažėti, todėl kiekvienu eksperimento laiko momentu negalima pasakyti, kokia yra tiksli laiko kryptis (pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, vidutiniškai didėja bendra entropija). Mokslininkams pavyko parodyti, kad netgi vidutinis entropijos padidėjimas nebūtinai užtikrina laiko asimetriją.
E. Fengas ir G. Kruksas ėmėsi aiškinti, kaip laikas gali eiti į priekį, kai entropija mažėja. Tam jie panaudojo DNR molekulę – iš pradžių ši būna šiluminėje pusiausvyroje, tačiau pradėjus ją deformuoti, bendra entropija (molekulės ir jos aplinkos) vidutiniškai padidėja.
„Laiko asimetrijos matavimui mes panaudojome daugybę DNR trajektorijų, – teigia E. Fengas. – Abiejų rūšių eksperimentus (spaudimo ir tempimo) apibendrinome vienodai, todėl žinodami laisvosios energijos pokytį, galime gauti laiko kryptingumo ilgio kvadratą“.
Stebėtojas, tokiu eksperimentu norėdamas išmatuoti laiko asimetriją, privalo atskirti, kaip susidarė DNR trajektorija – dėl spaudimo ar tempimo. Mokslininkai šį stebėjimą įvertino Jenseno-Šanono divergencija: jeigu tempimas ir spaudimas yra identiški, tikimybė lygi 0; jeigu bet kuriuo laiko momentu tempimą galima atskirti nuo spaudimo, tikimybė lygi 1; jeigu tempimas iš dalies sutampa su spaudimu, tikimybė didesnė už 0, bet mažesnė už 1.
Pasak E. Fengo ir G. Krukso, toks tikimybinis pasiskirstymas gali tiksliau aprašyti laiko asimetriją už paprastą vidutinės entropijos matavimą, nes vidutinės entropijos vertė gerokai priklauso nuo pasitaikančių neįprastų įvykių.
„Jenseno-Šanono divergencija savo matematine forma yra pranašesnė už vidutinę entropiją, – sako E. Fengas. – Į nedažnai pasitaikančius įvykius šis metodas atsižvelgia visai kitaip“.
Be savo teorinės svarbos mokslininkų tyrimas reikšmingas tuo, kad jį galima pritaikyti praktinėse srityse, pavyzdžiui, matuojant laisvosios energijos skirtumą nepusiausvyrinių eksperimentų metu. Be to, geresnis laiko asimetrijos ir entropijos tarpusavio ryšio supratimas gali praversti tyrinėjant įvairius biologinius mechanizmus.
„Nors makroskopiniame pasaulyje laikas akivaizdžiai teka pirmyn, mikroskopiniame pasaulyje viskas toli gražu nėra taip aišku, – apibendrina E. Fengas. – Mūsų paaiškinimas, paremtas Jenseno-Šanono divergencija, išskiria šį skirtumą. Tikimės, kad tai pravers tyrinėjant biologines molekules ir atliekant eksperimentus su pavienėmis molekulėmis“.
