W Niemczech 1865 fizyk Rudolf Clausius Stwierdził, że ciepła nie można przenieść z zimnego ciała do gorącego ciała, jeśli wokół nich nic się nie zmieniło. Clausius wymyślił koncepcję, którą nazwał „entropią”, aby zmierzyć to zachowanie ciepła – innym sposobem powiedzenia, że ciepło nigdy nie przepływa z zimnego ciała do gorącego, jest powiedzenie „entropia tylko wzrasta i nigdy nie maleje” (Zobacz ramy entropii i wzrost turbulencji).
jak Rovelli Potwierdzone w porządku chronologicznymTo jest Tylko Podstawowe prawo fizyki pozwalające odróżnić przeszłość od przyszłości. Piłka może stoczyć się w dół wzgórza lub odbić się na jego szczycie, ale ciepło nie może przepływać z zimna do gorąca.
Aby to zilustrować, Rovelli podnosi pióro i upuszcza je z jednej ręki do drugiej. „Powodem, dla którego to zatrzymuje się w mojej ręce, jest to, że ma pewną energię, a następnie energia zamienia się w ciepło i ogrzewa moją rękę. Tarcie przestaje się odbijać. W przeciwnym razie, jeśli nie ma ciepła, odbije się na zawsze i nie rozróżnię przeszłość z przyszłości”.
Jak dotąd jest to proste. To znaczy, dopóki nie zaczniesz myśleć o tym, czym jest ciepło na poziomie molekularnym. Różnica między gorącymi a zimnymi rzeczami polega na tym, jak poruszone są ich cząsteczki – w gorącym silniku parowym cząsteczki wody są bardzo podekscytowane, szybko odchylają się i zderzają ze sobą. Same cząsteczki wody są mniej poruszone, gdy łączą się w kondensacji na szybie okiennej.
Oto problem: kiedy przybliżasz się do poziomu, powiedzmy, jedna cząsteczka wody zderza się i odbija się od drugiej, strzałka czasu znika. Jeśli obejrzysz mikroskopijny film z tej kolizji, a następnie przewiniesz go do tyłu, nie będzie jasne, w którą stronę w przód, a w którą z powrotem. W mniejszej skali zjawisko wytwarzania ciepła – zderzenia cząstek – jest symetryczne w czasie.
Oznacza to, że strzała czasu z przeszłości do przyszłości pojawia się dopiero, gdy cofniemy się o krok od mikroskopijności do makroskopowości – coś, co po raz pierwszy docenił austriacki fizyk i filozof Ludwig Boltzmann.
„Tak więc trend czasu wynika z faktu, że patrzymy na wielkie rzeczy, a nie na szczegóły”, mówi Rovelli. Od tego kroku, od podstawowego mikroskopijnego obrazu świata do gruboziarnistego, przybliżonego opisu świata makroskopowego – tu pojawia się kierunek czasu.
„Nie chodzi o to, że świat jest zasadniczo zorientowany na przestrzeń i czas” – mówi Rovelli. Dopiero gdy się rozejrzymy, dostrzeżemy trend, w którym codzienne, średniej wielkości przedmioty mają większą entropię – dojrzałe jabłko spadło z drzewa, pomieszana talia kart.
Chociaż entropia wydaje się być blisko powiązana ze strzałką czasu, jest nieco zaskakujące – a może nawet mylące – że jedyne prawo fizyki, które ma wbudowany silny kierunek czasu, traci ten kierunek, gdy patrzy się na bardzo małe rzeczy.