സമയത്തിന്റെ ദിശ (The arrow of time)

Review

Ravisankar

   'ടെനെറ്റ്' എന്ന സിനിമയിൽ നിന്ന് പ്രചോദനം ഉൾക്കൊണ്ട് 'സമയത്തിന്റെ അമ്പടയാളം' മനസിലാക്കാൻ ഈ ലേഖനം ഞങ്ങളെ സഹായിക്കുന്നു. പ്രപഞ്ചത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന ഭൗതികശാസ്ത്ര നിയമങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് മുന്നോട്ടുള്ള ദിശയിലുള്ള സമയതിൻ്റെ യാത്രയെ വിശദീകരികാൻ ശ്രമിക്കുന്നു.



  എത്ര തന്നെ കാത്തിരുന്നാലും തകർന്നു വീണ ഒരു കെട്ടിടം അവശിഷ്ടങ്ങളെല്ലാം തനിയെ കൂടി ചേർന്ന് പഴയ അവസ്ഥയിലേക്ക് തിരികെ പോവില്ല എന്നു നമുക്കറിയാം. അതുപോലെ തന്നെ കെട്ടിടം തകർന്നു വീണതിന് മുൻപും ശേഷവും എന്നതു നമുക്ക് വളരെ വ്യക്തമായി അടയാളപ്പെടുത്താനാകും. കെട്ടിടം തകർന്ന് വീഴുന്നത് ഒരു irreversible പ്രക്രിയ ആണ്. വിപരീത ദിശയിൽ സംഭവിക്കാത്ത അല്ലെങ്കിൽ ഒരു ദിശയിൽ മാത്രം സംഭവിക്കുന്ന ഭൂതവും ഭാവിയും തമ്മിൽ വ്യക്തമായ വേർതിരിവ് നിർണ്ണയിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒരു പ്രക്രിയ. നമ്മളെ സംബന്ധിച്ചടത്തോളം ഭൂതവും ഭാവിയും വ്യത്യസ്തമാണ്. ഇവ രണ്ടും വ്യത്യസ്തമായിത്തന്നെയാണ് നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്നതും. എന്താണ് ഇതിന്റെ കാരണം? എന്തുകൊണ്ടാണ് സമയത്തിന് ഒരു ദിശ ഉള്ളതായി, അത് മുൻപോട്ടു മാത്രം പോകുന്നതായി നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്നത്?

  പ്രപഞ്ചം ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിന്റെ നിയമങ്ങൾക്ക് അനുസൃതമായാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. അതുകൊണ്ടു തന്നെ സമയത്തിന്റെ ദിശയും ഈ നിയമങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചു മനസിലാക്കാൻ സാധിക്കണം . അതായത് ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ ഏതെങ്കിലും അടിസ്ഥാന നിയമം ഭൂതകാലത്തെയും ഭാവിയെയും വ്യക്‌തമായി വേർതിരിക്കുന്നതായിരിക്കണം. അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങളിൽ ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങളും സമയത്തിന്റെ ദിശയുമായുള്ള ബന്ധം ലളിതമായ ഒരു ഉദാഹരണത്തിലൂടെ മനസിലാക്കാൻ സാധിക്കും. ഭൂമി സൂര്യനെ ദീർഘവൃത്താകൃതിയിലാണ് പരിക്രമണം ചെയ്യുന്നത് എന്ന് നമുക്കറിയാം. സമയത്തിന്റെ ഗതി വിപരീതമാണെങ്കിൽ ഭൂമി എങ്ങനെയാവും സുര്യനെ പരിക്രമണം ചെയ്യുക? നിലവിലെ ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങൾ പ്രകാരം ഭൂമിയുടെ ഭ്രമണപഥത്തിനു മാറ്റം ഒന്നും സംഭവിക്കില്ല, പക്ഷെ മുമ്പത്തേതിന് വിപരീത ദിശയിലാകും ഭൂമി സൂര്യനു ചുറ്റും പരിക്രമണം ചെയ്യുക. അതിനർത്ഥം പ്രത്യക്ഷത്തിൽ സമയത്തിന്റെ ഗതി reverse ചെയ്താലും ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങൾക്ക് മാറ്റമൊന്നും ഉണ്ടാകില്ല. ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങൾ ഭൂതത്തെയും ഭാവിയെയും വേർതിരിക്കുന്നില്ല! അതുപോലെ തന്നെയാണ് വൈദ്യുതകാന്ത നിയമങ്ങളും. എന്നാൽ 'weak nuclear force' ഇതിനു വിപരീതമായി ടൈം റിവേഴ്സിബിലിറ്റിയെ ലംഘിക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. നമുക്ക് ചുറ്റുമുള്ളതും നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്നതുമായ 99 ശതമാനം പ്രതിഭാസങ്ങളും വൈദ്യുതകാന്ത നിയമങ്ങളുടെ പരിധിയിൽ വരുന്നതാണ്. ബാക്കി ഭൂരിഭാഗവും ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങളുടെയും. നിത്യജീവിതത്തിൽ nuclear ഫോഴ്‌സുകളെ നമ്മൾ അഭിമുഖീകരിക്കാത്തതു കൊണ്ട് തന്നെ നമുക്ക് നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്ന ‘സമയത്തിന്റെ ദിശ’ അതുകൊണ്ടാണെന്ന് പറയാൻ കഴിയില്ല. ഏതാണ്ട് എല്ലായ്പ്പോഴും കാണുന്ന വൈദ്യുതകാന്ത നിയമങ്ങളും ഗുരുത്വാകർഷണ നിയമങ്ങളും റിവേഴ്സിബിൾ ആണെങ്കില്‍ പിന്നെ എന്തുകൊണ്ടാണ് ഇവ ചേർന്നുണ്ടാകുന്ന ഈ ലോകം ഇർ-റിവേഴ്സിബിൾ ആകുന്നത്?

  Irreversibilitye കുറച്ചു കൂടി സൂക്ഷ്മമായി മനസ്സിലാക്കാനായി ഫെയ്ൻമന്റെ ഒരു ഉദാഹരണമെടുക്കാം. വെള്ളത്തിലേക്ക് നീല നിറത്തിലുള്ള മഷി ഒഴിച്ചാൽ കുറച്ച് സമയത്തിനകം നീല മഷി വെള്ളത്തിൽ മുഴുവനായി വ്യാപിക്കുമെന്നും വെള്ളം പിന്നീടൊരിക്കലും അതിന്റെ പൂർവാവസ്ഥയിലേക്ക് തിരിച്ചു വരില്ല എന്നും നമുക്കറിയാം. അതായത് വെള്ളത്തിലേക്ക് മഷി വ്യാപിക്കുന്ന പ്രക്രിയ അതിന്റെ വിപരീത ദിശയിൽ ( ഒരു വിഡിയോ ടൈം റിവേഴ്‌സ് ചെയ്ത്) ആരെ കാണിച്ചാലും അത് തികച്ചും അസ്വാഭാവികമാണെന്ന് അവർ പറയും. ഈയൊരു പ്രക്രിയയെ കുറച്ചു കൂടി സൂക്ഷ്മമായി പരിശോധിച്ചാൽ ഇറിവേഴ്സിബിലിറ്റിയുടെ ഉറവിടം ഒരുപക്ഷെ കണ്ടെത്താനായേക്കും. ആയതിനായി നമുക്ക് കുറച്ചു കൂടെ ലളിതമായ ഒരു സാഹചര്യം കണക്കിലെടുക്കാം.

  നീല മഷിക്കു പകരം നൂറു ചെറിയ നീല തെർമോകോൾ ബോളുകളും വെള്ളത്തിന് പകരം നൂറു ചെറിയ വെളുത്ത തെർമോകോൾ ബോളുകളും എടുക്കാം. ഇവയെ രണ്ടു ഭാഗങ്ങളായി തിരിച്ച ഒരു ബോക്സിന്റെ ഇടതു വശത്തു നീല നിറത്തിലുള്ള ബോളുകളും വലതു വശത്തു വെള്ള നിറത്തിലുള്ള ബോളുകളും എന്ന രീതിയിൽ വിന്യസിക്കാം.

Source: https://www.youtube.com/watch?v=om8DGAPljXA&feature=youtu.be    . ഇനി മേൽപ്പറഞ്ഞ ബോക്സിനെ രണ്ടു ഭാഗങ്ങളാക്കി തീർക്കുന്ന വിടവ് (barrier) എടുത്തു മാറ്റി ബോക്സ് ഒന്ന് കുലുക്കി കൊടുത്താൽ വെള്ളത്തിലേക്ക് മഷി പടരുന്നതിന് സമാനമായി ബോളുകളുടെ ക്രമരഹിതമായ(random) ചലനം മൂലം കുറച്ചു സമയത്തിന്ള്ളിൽ രണ്ടു നിറങ്ങളും പൂർണമായി കലരുന്നുതായി കാണാം.

  വെള്ളത്തിന്റെയും മഷിയുടെയും കാര്യത്തിൽ സംഭവിക്കുന്നതും ഏതാണ്ട് സമാനമായ ഒരു പ്രക്രിയ ആണ്. ഒരു പദാർത്ഥത്തിന്റെ തന്മാത്രകളുടെഎല്ലാം ഊർജത്തിന്റെ ശരാശരിയെയാണ് നമ്മൾ താപനില(temperature) എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. ഒരു പദാർത്ഥത്തിന്റെ താപനില(temperature) അബ്സല്യൂട്ട് സീറോ(absolute zero) അല്ലാത്തടുത്തോളം അതിലെ തന്മാത്രകൾ യാതൊരു ക്രമവുമില്ലാതെ അങ്ങോട്ടുമിങ്ങോട്ടും നീങ്ങുകയും ചിലപ്പോൾ കൂട്ടി മുട്ടുകയും ചെയ്യും. തന്മാത്രകളുടെ ഇത്തരത്തിലുള്ള ചലനം നിമിത്തമാണ് റൂം ടെമ്പറേച്ചറിൽ വച്ച് വെള്ളത്തിൽ മഷി ഒഴിച്ചുടനെ തന്നെ പടരുന്നത്.

  രണ്ട് ബോളുകൾ മാത്രം കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന പ്രക്രിയ എടുത്താൽ ടൈം റിവേഴ്‌സ് ചെയ്യുന്നതിനനുസരിച്ച് ഇതേ ബോളുകൾ വിപരീത ദിശയിലേക്ക് നീങ്ങും.

  അത് പോലെ ടൈം ഫോർവേഡ് ദിശയിലുള്ളതും റിവേഴ്‌സ് ദിശയിലുള്ളതുമായ രണ്ട് ബോളുകൾ തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന പ്രക്രിയ ഒരേ സമയം കാണുകയാണെങ്കിൽ ഏതാണ് ടൈം ഫോർവേഡ് ആയിട്ടുള്ളതെന്നോ റിവേഴ്‌സ് ആയിട്ടുള്ളതെന്നോ കാണുന്നയാൾക്ക് തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയില്ല (രണ്ട് ബോളുകൾ കൂട്ടി മുട്ടുന്ന വീഡിയോ ഒരേ സമയം മുന്പോട്ടും പിന്നോട്ടും കാണുന്നതു വിചാരിച്ചു നോക്കു) . അതുപോലെ തന്നെ രണ്ടു തന്മാത്രകൾ തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന പ്രക്രിയയും പൂർണ്ണമായും റിവേഴ്സിബിൽ ആണ്. എന്നാൽ ഒരു വലിയ കൂട്ടം തന്മാത്രകളെടുത്താൽ അവ തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന പ്രക്രിയ റിവേഴ്സിബിൾ അല്ല ! അതിനർത്ഥം തന്മാത്രകൾ തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന പ്രക്രിയയുടെ ഇറിവേഴ്സിബിലിറ്റി അതിന്റെ അടിസ്ഥാന ഭൗതികശാസ്ത്ര നിയമമായ 'Rule of Molecular Collisions 'സിൽ നിന്നുമല്ല വരുന്നത് എന്നാണ്. മറിച്ച് ഇവിടെ ഇറിവേഴ്സിബിലിറ്റിക്ക് കാരണം തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കുന്ന തന്മാത്രകളുടെ എണ്ണമാണ്.

  ഇത് കുറച്ചു കൂടി നന്നായി മനസ്സിലാക്കാൻ ബോളുകളുടെ ഉദാഹരണം തന്നെയെടുക്കാം. നാല് വെള്ള ബോളുകളും നാല് നീല ബോളുകളും ഉള്ള മുകളിൽ പറഞ്ഞ രീതിയിൽ രണ്ടു ഭാഗങ്ങളായി തിരിച്ച ഒരു ബോക്സ് എടുക്കുകയും പതിയെ നടുവിലെ സെപറേഷൻ നീക്കുകയും ചെയ്താൽ ബോളുകൾ ക്രമരഹിതമായ നീങ്ങാനും പരസ്പരം കൂട്ടിയിടിക്കാനും തുടങ്ങും. കുറച്ചു സമയം കാത്തിരുന്നാൽ എല്ലാ വെള്ള ബോളുകളും ബോക്സിന്റെ ഇടതു വശത്തും എല്ലാ നീല ബോളുകളും ബോക്സിന്റെ വലതു വശത്തും വരാൻ സാധ്യതയുണ്ട്. ഇതിനായി മണിക്കൂറുകൾ കാത്തിരിക്കേണ്ടി വന്നാലും അതൊരിക്കലും അസംഭാവ്യമല്ല. ഇനി ബോളുകളുടെ എണ്ണം കുറച്ചു കൂട്ടിയാലും ഏതെങ്കിലും ഒരു റാൻഡം സമയത് ബോക്സിന്റെ ഇരു ഭാഗങ്ങളിലും നീലയും വെള്ളയും വെവ്വേറെയായി കാണാനുള്ള സാധ്യതയുണ്ട്. പക്ഷെ അതിനു വേണ്ടി ഒരു പക്ഷെ ദിവസങ്ങളോ ആഴ്ചകളോ നമുക്ക് കാത്തിരിക്കേണ്ടി വന്നേക്കാം. ഇനി ബോളുകളുടെ എണ്ണം വളരെയധികം കൂടിയാൽ നമുക്ക് ഒരുപക്ഷെ ദശാബ്ദങ്ങൾ കാത്തിരിക്കേണ്ടി വരും. നമുക്ക് ചുറ്റുമുള്ള വസ്തുക്കളിൽ ശതകോടിയിലുമെത്രയോ അധികം തന്മാത്രകളുണ്ടാകും. അങ്ങനെ ഒരു സാഹചര്യത്തിൽ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങൾക്ക് എതിരല്ലാതിരിന്നിട്ടും നീലയും വെള്ളയും ‘തന്മാത്രകൾ’ വേർതിരിയാൻ ഉള്ള സാധ്യത വളരെ വളരെ ചെറുതാണ്. പ്രായോഗികതലത്തിൽ അതൊരിക്കലും സംഭവിക്കില്ല. ചുരുക്കിപ്പറഞ്ഞാൽ പ്രകൃതിയിലെ ഏതൊരു പ്രക്രിയയും റിവേഴ്‌സ് ചെയ്യാൻ നമുക്ക് ചിന്തിക്കാവുന്നതിലുമപ്പുറം വർഷങ്ങൾ കാത്തിരിക്കേണ്ടി വരും.

  നമ്മുടെ പ്രപഞ്ചം ഒരുപാട് ഭാഗങ്ങൾ കൂടിച്ചേരുന്ന ഒരു സിസ്റ്റം ആണ്. അതുകൊണ്ടു തന്നെ മാറ്ററും ഊർജ്ജവും ഒരു സ്ഥലത്തു മാത്രം നിലനിൽക്കുന്ന കൂടുതൽ ഓർഡർ / ക്രമം ഉള്ള അവസ്ഥയിൽ നിന്നും മാറ്ററും ഊർജ്ജവും പ്രപഞ്ചത്തിലാകമാനം വ്യാപിച്ചിട്ടുള്ള കുറഞ്ഞ ഓർഡർ / ക്രമം ഉള്ള ഒരു അവസ്ഥയിലേക്ക് പ്രപഞ്ചം ക്രമേണ പോയികൊണ്ടിരിക്കും.

  സമയത്തിന്റെ ദിശ എന്ന ഈ പ്രതിഭാസം എന്നെങ്കിലും ഇല്ലാതാവുമോ? തീർത്തും ക്രമരഹിതമായ ഒരു അവസ്ഥയിൽ ഇരിക്കുന്ന ഒരു സിസ്റ്റത്തിൽ സമയത്തിന്റെ ദിശ മാറ്റിയാലും സിസ്റ്റത്തിൽ പ്രത്യേക മാറ്റങ്ങളൊന്നും ഉണ്ടാവില്ല. അതായത് ഒരു സിസ്റ്റത്തെ നമ്മൾ കുറേ നേരം അതിന്റെ വഴിക്കു വിട്ടാൽ ഒരു നിശ്ചിത സമയത്തിനു ശേഷം സമയത്തിന്റെ ദിശ തന്നെ ഇല്ലാതാവും. ഇപ്പോഴും ഓർഡർ/ക്രമം ഉള്ള അവസ്ഥയിൽ നിലനിൽക്കുന്ന ഗ്രഹങ്ങളും നക്ഷത്രങ്ങളും ഒക്കെ ഉള്ളത് കൊണ്ട് തന്നെ നമ്മുടെ പ്രപഞ്ചം ഈ അവസ്ഥയിൽ ഇതുവരെ എത്തിയിട്ടില്ല. എന്നാൽ അനവധി വർഷങ്ങൾ കഴിയുമ്പോൾ പ്രപഞ്ചത്തിലെ മുഴുവൻ മാറ്ററും ഊർജ്ജവും ഒരേപോലെ (uniform ) പൂർണ്ണമായി കൂടിച്ചേരുന്ന അവസ്ഥ വരും . അപ്പോൾ സമയത്തിന്റെ ദിശ എന്ന പ്രതിഭാസം ഇല്ലാതാവും. ചുരുക്കത്തിൽ സമയത്തിന്റെ ദിശ നിർണ്ണയിക്കുന്ന അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങളൊന്നും ഇല്ല ; അതുണ്ടാകുന്നത് ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങൾക്കനുസരിച്ച് കുറെയധികം പാർട്ടിക്കിൾസ് തമ്മിൽ 'interact' ചെയ്യുന്നതിന്റെ പരിണതഫലമായിട്ടാണ്. അതായത് സമയത്തിന്റെ ദിശ എന്നത് ഒരു emergent phenomena ആണ്. ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിയമങ്ങൾ ഈ പ്രതിഭാസത്തെ വിശദീകരിക്കാത്ത സ്ഥിതിക്ക് അതിന്റെ കൂടെ ഒരു hypothesis കൂടി കൂട്ടിച്ചേർക്കേണ്ടി വരും - 'At any time, past is more ordered than future'. ഇതാണ് തെർമോഡയനാമിക്സിന്റെ രണ്ടാം നിയമം(Second Law of Thermodynamics)!!!

Editor's Note: (Summary in English)

This article helps us understand 'The arrow of time', inspired by the movie 'Tenet'. It begins with an example of the explosion of a building as an irreversible process- a process with a clear distinction between past and present. This makes us perceive that time travels in a forward direction. This is done by explaining to us the laws of physics that define this universe. Gravity and electromagnetism fall under time-reversible processes. But the resulting processes, which are the result of gravity or electromagnetism, happening around us are irreversible. The famous example of ink mixing in water by Richard Feynman was considered to explain this. We can see that the time-reversal of this process can never happen in reality. A molecular representation of the example was made using randomly colliding particles represented as balls. This random motion is responsible for the mixing of ink and water molecules. If we concentrate on a single collision, it is reversible. But the total process of these individual collisions is not. This proves that irreversibility is not a result of the fundamental law of molecular collision but is apparently due to the number of interacting molecules. A system of a million billion billion particles can also be separated, but you will have to wait a billion billion billion years. Thus it is highly improbable and practically impossible. The same concept applies to the universe. Our universe has ordered structures like stars, planets where energy and mass are concentrated. it is an ordered state. After a very long time, structures will disintegrate eventually and lead to a state where energy and matter are uniformly mixed. The direction of time will no longer exist in that state. It is concluded that no fundamental law of physics can explain the arrow of time, it is an emergent phenomenon due to the large number of interacting particles. "At any point, past is more ordered". this additional hypothesis helps us to understand the ‘arrow of time’.

Bibliography

  1. Messenger lectures by Richard Feynman at Cornell University 1964
  2. https://youtu.be/VU0mpPm9U-4

Ravisankar is a BSMS graduate from IISER Kolkata. He works on theoretical physics.

Special credits: We would like to thank Aiswarya Balakrishnan from 18MS IISER Kolkata for her tireless efforts to help make this article possible. She is majoring in Biology and has is extremely creative with a passion for dancing. And also to G. Vivek Gopakumar for his valuable suggestions. He is in 19ip in the Department of Physical Sciences at IISER Kolkata.

please subscribe to our newsletter

signup with your email to get the latest articles instantly



subscribe

Thank you for subscribing!

Please wait for a few moments while we add you to our mailing list...