Page 1

Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 1


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 2


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 3


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 4

The original title of this book is: The User Illusion. Cutting consciousness down to size, by Tor Nørretranders, first published in the United States of America by Viking Penguin, a member of Penguin Putnam Inc., 1998. Published in Penguin Books 1999. Originally published in Danish as Maerk verden, by Gyldendalske Boghandel. Copyright © Tor Nørretrandres, 1991 Translation copyright © Jonathan Sydenham, 1998. All rights reserved Ilustrations by Jesper Tom-Petersen Copyright © Publica, 2009, pentru ediţia în limba română ISBN 978-973-1931-09-8

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României NØRRETRANDERS, TOR Iluzia utilizatorului : despre limitele conștiinţei / Tor Nørretranders ; trad.: Laurenţiu Staicu. - București : Publica, 2009 Bibliogr. ISBN 978-973-1931-09-8 I. Staicu, Laurenţiu (trad.) 001.891

EDITORI: Cătălin Muraru Radu Minculescu Silviu Dragomir DIRECTOR EXECUTIV: Bogdan Ungureanu COPERTA: Alexe Popescu REDACTOR: Alexandra Hânsa DTP: Cristian Coban CORECTURĂ: Eugenia Ţarălungă, Sînziana Doman


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 5

Ceea ce e fãcut de cãtre ceea ce se cheamã eu însumi este, cred, fãcut de ceva din sinele meu mai mare decât mine însumi. JAMES CLERK MAXWELL pe patul de moarte, 1879


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 6


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 7

Cuprins Prefaþã ....................................................................................................................................9

Partea întâi Calculul

1

Demonul lui Maxwell.....................................................................................................15

2

Eliminarea informaþiei..................................................................................................34

3

Algoritmuri infinite .......................................................................................................54

4

Profunzimea complexitãþii ...........................................................................................76

Partea a doua Comunicarea 5

Arborele vorbirii.............................................................................................................97

6

Lãþimea de bandã a conºtiinþei ..................................................................................128

7

Bomba psihologiei.......................................................................................................159

8

Vedere dinãuntru.........................................................................................................179

Partea a treia Conºtiinþa 9

Întârzierea de o jumãtate de secundã ........................................................................213

10 Sinele lui Maxwell .......................................................................................................248 11 Iluzia utilizatorului......................................................................................................272 12 Originea conºtiinþei ....................................................................................................303 Partea a patra Liniºtea 13 Înãuntrul nimicului.....................................................................................................323 14 La marginea haosului .................................................................................................345 15 Linia neliniarã..............................................................................................................364 16 Sublimul ......................................................................................................................387 Bibliografie ........................................................................................................................403 Note ....................................................................................................................................418

Cuprins

Iluzia utilizatorului

7


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 8


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 9

Prefaþã Conștiinţa este, în același timp, cea mai nemijlocit prezentă și cea mai puţin tangibilă și enigmatică entitate din întreaga existenţă umană. Putem vorbi unii cu alţii despre conștiinţă, însă ea are un caracter eminamente și inevitabil subiectiv, este ceva ce nu poate fi perceput decât de fiecare în parte, dinăuntru. Conștiinţa este percepţia perceperii, cunoașterea despre cunoaștere, senzaţia simţirii. Dar ce este acest ceva care percepe percepţia? Ce se întâmplă atunci când examinăm percepţia perceperii din exterior și ne întrebăm: „Cât de mult vede, de fapt, conștiinţa?“ În ultimii ani, cercetările știinţifice din domeniul fenomenelor conștiinţei au arătat că oamenii percep mult mai mult decât percepe de fapt conștiinţa; că interacţionează mult mai mult cu lumea și cu ceilalţi oameni decât crede, de fapt, conștiinţa lor; și că acel control asupra acţiunilor pe care conștiinţa are senzaţia că îl posedă este de fapt o iluzie. Conștiinţa joacă un rol mult mai mic în viaţa noastră decât a avut tendinţa să creadă cultura occidentală. Studiile istorice arată că fenomenul conștiinţei așa cum îl cunoaștem noi astăzi datează probabil de cel mult trei mii de ani. Conceptul unui „percepător“ și al unui centru de comandă central, un eu conștient, a fost preponderent numai timp de o sută de generaţii. Judecând din perspectiva observaţiilor știinţifice pe care se bazează expunerea de faţă, domnia ego-ului conștient nu va mai dura probabil prea multe generaţii de acum înainte. Epoca eului se apropie de sfârșit. Iluzia utilizatorului este o trecere în revistă a mai multor descoperiri știinţifice uimitoare care au pus în lumină fenomenul conștiinţei și gradul în care putem vorbi cu adevărat de o viaţă umană conștientă. Este povestea semnificaţiilor acestor descoperiri — a implicaţiilor lor pentru felul în care ne percepem pe noi înșine și pentru perspectiva noastră asupra liberului arbitru; pentru posibilitatea înţelegerii lumii; și pentru înţelegerea gradului în care avem contacte interpersonale unii cu alţii, dincolo de canalul îngust al limbajului. Punctul de pornire al acestei expuneri este cultura știinţifică, în particular cultura știinţelor naturii; însă orizontul ei este cultura ca întreg. Cartea de faţă urmărește să combine știinţa cu viaţa de zi cu zi; să arunce lumină asupra lucrurilor obișnuite pe care noi le ignorăm cu desăvârșire, punându-le în legătură cu un bagaj de descoperiri realizate în mai multe zone ale cercetării știinţifice, care aparent nu au nici cea mai slabă legătură cu conștiinţa noastră sau cu viaţa noastră de zi cu zi. Este o carte ambiţioasă, care pe alocuri intră în conflict cu unele concepte consfinţite de multă vreme, cum ar fi acelea de eu și de informaţie, și

Prefaþã

Iluzia utilizatorului

9


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 10

introduce concepte noi, cum ar fi acelea de sine și de exformaţie, însă, limbajul cărţii este accesibil oricui vrea să încerce să o citească — chiar dacă ea debutează oarecum cu problemele cele mai dificile. Începând cu anul 1930, în matematică, fizică și teoria calculului, a devenit din ce în ce mai limpede că fundamentul obiectivităţii este el însuși subiectiv: că niciun sistem formal nu va putea vreodată să se demonstreze sau să se dovedească pe sine însuși. Acest lucru a dus la o schimbare conceptuală în modul nostru de a vedea lumea, care s-a realizat în câmpul știinţelor naturii pe parcursul ultimului deceniu. Rezultatul a fost o schimbare radicală a modului în care înţelegem concepte precum informaţie, complexitate, ordine, întâmplare și haos. Aceste transformări conceptuale au făcut posibilă modelarea unor legături cu studiul unor fenomene precum înţelesul și relevanţa, care sunt esenţiale pentru orice descriere a conștiinţei. Prima secţiune a cărţii, intitulată „Calculul“, este dedicată tocmai acestor transformări. În psihologie și în teoria comunicării, a devenit limpede, începând cu 1950, că abilitatea conștiinţei nu este una extensivă dacă este măsurată în biţi, unitatea de măsură pentru informaţie. Conștiinţa nu conţine aproape nicio informaţie. Pe de altă parte, simţurile digeră cantităţi enorme de informaţie, o informaţie de care, în cea mai mare parte, nu suntem conștienţi niciodată. Așadar, cantităţi enorme de informaţie sunt eliminate înainte de a interveni conștiinţa; o stare de lucruri care corespunde perfect cu înţelegerea proceselor de calcul care și-au făcut intrarea în scenă în anii ‘80 ai secolului trecut. Însă majoritatea informaţiei provenite din mediul înconjurător, pe care o detectează simţurile noastre, ne influenţează totuși comportamentul: mare parte din ceea ce se petrece în mintea unei persoane nu este ceva conștient. Cea de-a doua secţiune a cărţii, „Comunicarea“, discută tocmai despre acest gen de informaţie care este înlăturată dar, cu toate acestea, importantă. Începând cu anii 1960, neurofiziologii au studiat conștiinţa comparând relatările subiective ale oamenilor cu măsurători obiective ale activităţii din creierul lor. Rezultatele uimitoare care au fost obţinute au arătat că, de fapt, conștiinţa rămâne în urma a ceea ce numim realitate. Durează o jumătate de secundă ca să devenim conștienţi de ceva, deși noi nu percepem acest lucru. În afara zonei noastre de conștienţă, o iluzie complexă rearanjează evenimentele în timp. Aceste descoperiri intră în conflict cu noţiuni consfinţite de multă vreme precum cea de liber-arbitru, însă cartea de faţă susţine că pericolul nu vizează liberul nostru arbitru, ci ideea că acela care exercită liberul-arbitru este eul nostru conștient. Aceste chestiuni constituie subiectul celei de-a treia secţiuni a cărţii, „Conștiinţa“. Viziunea asupra Pământului ca sistem viu s-a transformat de la prima ieșire a omului în spaţiu, la sfârșitul anilor 1960. În același timp, apariţia computerului ca un instrument știinţific a transformat imaginea cu privire la abilităţile noastre de a prezice trăsăturile lumii și la acţiunile noastre

10

Iluzia utilizatorului

Prefaþã


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 11

asupra ei. Tendinţa civilizaţiei de a plănui și de a ordona este acum ameninţată de ceea ce am învăţat în ultimele decenii despre legăturile ecologice și impredictibilitatea naturii. Abilitatea conștiinţei de a asimila lumea a fost serios supraestimată de cultura noastră știinţifică. Importanţa acceptării aspectelor nonconștiente ale fiinţei umane constituie subiectul celei de-a patra secţiuni a Iluziei utilizatorului, „Liniștea“: deși conștiinţa este ceva ce poate fi perceput numai de către noi înșine, este totuși esenţial să începem să vorbim despre ce este ea cu adevărat. Cartea de faţă a fost scrisă pe parcursul perioadei pe care am petrecut-o ca lector rezident la Academia Regală Daneză pentru Arte — între 1990 și 1991, și cu sprijinul unei finanţări oferite de Fondul Cultural al Ministerului Culturii. Else Marie Bukdahl, directorul școlii de arte frumoase, merită cele mai calde mulţumiri pentru că a făcut posibil acest aranjament. Le mulţumesc, de asemenea, lui Anette Krumhardt, personalului și studenţilor de la academie pentru compania plină de inspiraţie pe care mi-au oferit-o. Filosoful Ole Fogh Kirkeby m-a încurajat și m-a îndrumat ani de-a rândul; fizicienii Peder Voetmann Christiansen, Søren Brunak și Benny Lautrup au fost pentru mine surse vitale de inspiraţie. O lungă listă de oameni de știinţă și-au făcut timp, cu generozitate, pentru a-mi acorda interviuri și pentru a discuta despre chestiunile examinate în cartea de faţă. Mulţumiri speciale lui Jan Ambjørn, P. W. Anderson, Charles Bennett, Predrag Cvitanovic, Henning Eichberg, Mitchell Feigenbaum, Walter Fontana, Lars Friberg, Richard Gregory, Thomas Højrup, Bernardo Huberman, David Ingvar, Stuart Kauffman, Christof Koch, Rolf Landauer, Chris Langton, Niels A. Lassen, Benjamin Libet, Seth Lloyd, James Lovelock, Lynn Margulis, Humberto Maturana, Erik Mosekilde, Holger Bech Nielsen, Roger Penrose, Alexander Polyakov, Per Kjærgaard Rasmussen, Steen Rasmussen, Peter Richter, John A. Wheeler și Peter Zinkernagel. Benjamin Libet, a cărui activitate joacă un rol special în această expunere, a dat dovadă de o mare deschidere atunci când a fost nevoie de răspunsuri la întrebări punctuale cu privire la înregistrările știinţifice ale experimentelor sale epocale. Le datorez, de asemenea, mulţumiri lui Jesper Hoffmeyer și lui Niels A. Lassen pentru că mi-au atras atenţia asupra semnificaţiei rezultatelor obţinute de Benjamin Libet. Mulţumiri călduroase și lui Søren Brunak, Peder Voetmann Christiansen, Niels Engelsted, Henrik Jahnsen, Ole Fogh Kirkeby, Arne Mosfeldt Laursen, Sigurd Mikkelsen și Johs. Și lui Mørk Pedersen pentru comentariile pe marginea primei ciorne a cărţii. În sfârșit, mulţumiri din toată inima lui Claus Clausen pentru sprijinul editorial pe care mi l-a acordat pe parcursul scrierii cărţii. Copenhaga, septembrie 1991

Prefaþã

Iluzia utilizatorului

11


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 12


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 13

Partea Calculul întâi


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 14


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

1

12/9/2009

6:58 PM

Page 15

Demonul lui Maxwell

„War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?“1 (A fost oare un zeu, cel care a scris aceste semne?) a întrebat fizicianul austriac Ludwig Boltzmann, fãcând aluzie la Goethe ºi exprimându-ºi entuziasmul ºi uimirea cu privire la faptul cã mintea unui fizician a putut sã nãscoceascã patru ecuaþii matematice scurte.

Existau motive întemeiate pentru o astfel de uimire. În anii 1860, un fizician scoţian, pe nume James Clerk Maxwell, a reușit să cuprindă tot ceea ce era cunoscut pe vremea aceea despre fenomene precum electricitate și magnetismul în patru ecuaţii scurte, a căror eleganţă estetică era la fel de mare ca și impactul lor teoretic. Dar Maxwell nu a reușit doar să cuprindă în ecuaţiile sale tot ceea ce oamenii știau deja. El a reușit, de asemenea, să prezică fenomene despre care nimeni nu ar fi crezut că aveau vreo legătură cu electricitatea și magnetismul — fenomene care nu au fost descoperite decât după moartea lui Maxwell, în 1879. Cum a fost posibil acest lucru?, a întrebat Ludwig Boltzmann, contemporan al lui Maxwell și coleg în ceea ce privește realizarea unor progrese teoretice remarcabile în fizică. Cum poate un câmp atât de bogat și de variat de fenomene să fie cuprins în simboluri atât de puţine și de puternice, precum acelea pe care le găsim în cele patru rânduri celebre care constituie ecuaţiile lui Maxwell? Într-un anumit sens, tocmai acesta este misterul știinţei. Nu numai că ea poate urmări cu succes ţelul de a spune cât mai multe lucruri posibile în cât mai puţine cuvinte sau ecuaţii posibile, că poate trasa o hartă a teritoriului cercetat, o hartă care cuprinde simplu și limpede toate informaţiile importante și ne permite astfel să ne croim drum; dar — și aici se află misterul — ea poate să creeze o hartă care ne permite să vedem detalii ale terenului ce erau necunoscute atunci când a fost desenată harta! Fizica a fost întemeiată ca o știinţă teoretică prin intermediul unui soi de cartografiere care a unificat fenomene foarte disparate într-o singură structură teoretică. În 1687, Isaac Newton a putut să realizeze prima unificare majoră a unor fenomene naturale foarte diferite într-o singură imagine teoretică atunci când și-a prezentat teoria gravitaţiei. Teoria însăși avea o eleganţă matematică considerabilă, însă adevărata sa realizare a

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

15


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 16

fost aceea că a reușit să rezume cunoașterea cu privire la două mulţimi de fenomene, foarte diferite și deja cunoscute. La începutul anilor 1600, Galilei a fundamentat teoria modernă a mișcării corpurilor pe Pământ — corpurile în cădere, acceleraţia, oscilaţia și încă multe altele — iar în aceeași perioadă Johannes Kepler a formulat o serie de legi care guvernează mișcarea planetelor în jurul Soarelui. Galilei și Kepler și-au întemeiat teoriile pe observaţii — în cazul lui Galilei, a fost vorba de observaţiile provenite din propriile sale experimente; în cazul lui Kepler, de observaţiile asupra planetelor realizate de astronomul danez Tycho Brahe. Realizarea exemplară a lui Newton a fost aceea că a unificat aceste teorii — teoria lui Galilei despre pământ și cea a lui Kepler despre cer — într-o singură teorie care cuprindea atât cerul, cât și pământul. Un singur principiu conta: gravitaţia — ceva ce nimeni nu înţelege încă pe deplin. Teoria lui Newton a devenit un model pentru fizica de mai târziu (și, de fapt, pentru întreaga știinţă), astfel că formularea unor Mari Teorii Unificate despre fenomene foarte diferite a devenit idealul știinţei. Cu toate acestea, abia odată cu ecuaţiile celebre ale lui James Clerk Maxwell a fost inaugurată a Doua Mare Unificare. În vreme ce Newton unificase cerul și pământul, Maxwell a unificat electricitatea și magnetismul. Întreaga viziune știinţifică modernă asupra universului se bazează pe manifestarea unui mănunchi de forţe în natură — gravitaţia, electricitatea, magnetismul și încă două, care acţionează în lumea atomilor. Aceste forţe descriu felul în care corpurile acţionează unele asupra altora, aspectul cel mai important fiind acela că nu mai există alte forţe decât cele amintite mai sus. Tot ceea ce este cunoscut poate fi descris cu ajutorul acestor forţe și ale efectelor lor. Așadar, descoperirea faptului că există o legătură între aceste forţe, electricitate și magnetism, descoperire realizată în secolul al XIX-lea, a avut o însemnătate uriașă. În 1820, Hans Christian Ørsted, un savant danez, a descoperit că acul magnetic este deviat de un curent electric. Până în acel moment, nimeni nu știuse că există o legătură între electricitate și magnetism, două fenomene care erau bine cunoscute. În 1831, Michael Faraday a dovedit conversa descoperirii lui Ørsted: și anume faptul că într-un conductor expus la un câmp magnetic variabil se produce un curent electric — ceea ce numim inducţie electromagnetică. Când Faraday a fost întrebat care ar putea fi folosul practic al descoperirii sale, a replicat: „La ce folosește un bebeluș?“ James Clerk Maxwell avea doar câteva luni atunci când Faraday a descoperit inducţia. Treizeci de ani mai târziu, Maxwell a realizat a Doua Mare Unificare în fizică, ecuaţiile sale reușind să rezume realizările lui Faraday, ale lui Ørsted și ale multor altora. Maxwell a lucrat în mod deliberat cu analogii. El a teoretizat pe tema fenomenelor electrice și magnetice, imaginându-și niște vârtejuri în spaţiu

16

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 17

care reprezentau câmpurile ce provocau fenomenele electrice și magnetice. A folosit în mod deliberat imagini simple care puteau fi uitate odată ce a înţeles suficient de bine fenomenele respective pentru a le da o formă matematică. Trebuie început de la o „simplificare și o reducţie a rezultatelor cercetărilor anterioare la o formă în care mintea să le poată înţelege“, scria Maxwell2. Folosind ideea vârtejurilor (care a fost rafinată ulterior într-un model ipotetic alcătuit din mici roţi zimţate), Maxwell a ajuns la concluzia că erau necesare niște vârtejuri suplimentare pentru ca analogia mecanică între electricitate și magnetism să funcţioneze. Noile vârtejuri nu corespundeau niciunui fenomen cunoscut, însă erau necesare pentru ca această imagine mentală să capete sens, pentru ca harta să fie cât mai simplă cu putinţă. Atunci când Maxwell a calculat viteza cu care aceste vîrtejuri ipotetice minuscule se dispersează în spaţiu, a descoperit că ele se mișcau cu viteza luminii. Acesta era un rezultat straniu, căci nimeni nu se gândise până atunci că lumina ar avea vreo legătură cu electricitatea și magnetismul. Însă Maxwell a descoperit că lumina este radiaţie electromagnetică — modificând câmpurile electric și magnetic care călătoresc prin univers, alternând veșnic în unghiuri drepte în direcţia dispersiei acestora. O imagine uluitoare, care explica natura luminii, un lucru despre care oamenii de știinţă discutaseră de secole. Așadar, ecuaţiile lui Maxwell descriu nu doar ceea ce au fost menite să descrie, ci și — ca un bonus — lumina însăși; și lumina s-a dovedit a avea o mulţime de alte rude. Undele radio, razele X, radiaţia infraroșie, microundele, razele gamma și undele TV (prima dintre acestea fiind descoperită de Heinrich Hertz în 1888, la doar nouă ani după moartea lui Maxwell). Însemnătatea practică a ecuaţiilor lui Maxwell a fost, deci, uriașă. Cum ar fi arătat secolul XX fără undele radio, razele X, televiziune și microunde? Poate ar fi fost mai bun; însă, cu siguranţă, diferit. Așa cum spunea Heinrich Hertz despre ecuaţiile lui Maxwell: „Nu poţi evita sentimentul că aceste ecuaţii au o existenţă și o inteligenţă proprie, că sunt mai înţelepte decât noi, mai înţelepte chiar decât cei care le-au descoperit, că scoatem mai mult din ele decât am pus iniţial.“3 Cum a putut oare Maxwell să-și croiască drum prin intermediul analogiilor sale și să ajungă la ceva ce nimeni nu descoperise încă? Aceasta era întrebarea pe care o punea de fapt Ludwig Boltzmann atunci când se gândea dacă ecuaţiile lui Maxwell au fost scrise de un zeu. Într-un anumit sens, Maxwell însuși a dat răspunsul la această întrebare, pe patul de moarte, suferind de cancer. Fiind vizitat de profesorul F. J. A. Hort, un coleg de pe vremea când se afla la Cambridge, Maxwell a spus: „Ceea ce este făcut de către ceea ce se numește eu însumi este, cred, făcut în mine de ceva mai mare decât mine însumi.“4

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

17


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 18

Nu era prima dată când Maxwell sugera că multe idei știinţifice apar într-o parte a minţii care este dincolo de controlul conștiinţei. La scurtă vreme după moartea tatălui său, în 1856, a scris un poem despre „puteri și gânduri din noi înșine, pe care noi/nu le cunoaștem până când nu se ridică/Prin șuvoiul acţiunii conștiente de acolo de unde/ Sinele sălășluiește în secret.“ Nu printr-un act conștient de voinţă a reușit Maxwell să vadă lumina în ecuaţiile sale, „ci atunci când voinţa și simţirea rămân tăcute, prin gândurile care vin și pleacă...“5 Astfel de sentimente sunt departe de a fi neobișnuite în rândul marilor oameni de știinţă care vorbesc, de fapt, foarte des despre experienţe inconștiente sau chiar mistice ca fiind temelia cunoașterii lor. Așa că, în acest sens, nu Maxwell este cel care a scris ecuaţiile lui Maxwell. Ci ceva mai mare decât el însuși din el însuși. De atunci încoace, fizicienii au încercat să repete realizările exemplare ale lui Newton și ale lui Maxwell, care au unificat teorii foarte diferite despre fenomene foarte diferite. Dar nu au reușit încă să dea peste lozul cel mare al unificării. Deși în secolul XX Einstein a reușit să dezvolte noi idei bazate pe cele ale lui Newton și Maxwell, teoriile sale uluitor de frumoase despre relativitate, care vizează mișcarea și gravitaţia, nu au unificat niciun grup de forţe ale naturii. Pe de altă parte, fizicienii care studiază lumea atomică au descoperit existenţa a două forţe fundamentale în natură, pe lângă forţa gravitaţională și cea electromagnetică: forţa nucleară tare și forţa nucleară slabă, care există la nivel atomic și subatomic. Forţa nucleară slabă acţionează numai în așa-numita dezintegrare radioactivă. Forţa nucleară tare acţionează numai în nucleul atomului. În anii 1960, Abdus Salaam și Steven Weinberg au reușit să unifice teoria forţei nucleare slabe și teoria electromagnetismului, permiţându-ne să le înţelegem ca pe o singură forţă. În anii 1970, alţi fizicieni au reușit să arate că forţa nucleară tare poate fi și ea înţeleasă ca o variaţie a acestei noi „forţe electro-slabe“. Așadar, și-a făcut astfel apariţia o nouă ordine, deși tot ce au făcut de fapt fizicienii a fost să pună laolaltă cele două forţe nou descoperite cu cele care erau deja cunoscute. Deși este cunoscută sub numele de Marea Unificare, acestei realizări îi lipsește totuși o piesă esenţială, fără de care unificarea ultimă nu poate avea loc. Piesa care lipsește este gravitaţia. În anii 1980, teoriile despre entităţile numite „superstringuri“∗ au trezit un mare interes, dat fiind că pentru prima dată existau bune temeiuri pentru a spera în posibilitatea unificării teoriilor gravitaţiei (teoriile gravitaţiei ale lui Einstein) cu teoriile despre forţa electromagnetică, forţa nucleară tare ∗

18

În englezã „superstrings“ (N. t.)

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 19

și slabă (fizica nucleară și fizica particulelor). Superstringurile ar fi un fel de particule incredibil de mici care vibrează, un fel de cărămizi ultime din care este alcătuită întreaga materie din univers. Însă această a Treia Mare Unificare s-a dovedit a fi un drum dificil de urmat — și, în orice caz, este în mod clar mai puţin interesantă decât primele două teorii unificate ale câmpului. Marea contribuţie a lui Isaac Newton a fost, la urma urmei, aceea că a unificat cerul și pământul; cea a lui Maxwell a fost aceea că a unificat fenomene cotidiene precum magnetismul, electricitatea și lumina. Însă teoria superstringurilor nu are nicio legătură cu viaţa de zi cu zi; ea vizează condiţii extreme, specifice, care nu ne sunt deloc familiare — iar aceste condiţii sunt încă foarte departe de a fi accesibile fizicienilor pentru experimente care ar putea fi realizate în viitorul apropiat. În pofida sumelor enorme de bani cheltuite pentru o aparatură extrem de sofisticată — cum ar fi aceea de la Organizaţia Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) de lângă Geneva, astăzi nimeni nu mai crede cu adevărat că a Treia Mare Unificare — teoria care va unifica toate forţele din natură — se poate realiza în viitorul apropiat. În pofida discuţiilor aprinse care au încă loc pe marginea acestei teorii, așa cum a arătat teoria superstringurilor, chiar dacă o astfel de teorie ar apărea, ea nu ne-ar spune prea multe lucruri despre viaţa noastră de zi cu zi pe care să nu le știm deja. Din acest punct de vedere ar fi o unificare puţin cam dezamăgitoare. Cu toate acestea, în cursul anilor 1980 au avut loc o serie de descoperiri spectaculoase, uluitoare, care au modificat tendinţa dominantă din fizica secolului XX.

NEWTON 1687 KEPLER GALILEI ~ 1600

1600

1600

1600

TEORIA RELATIVITÃÞII MECANICA CUANTICÃ ~1910 MAREA MAXWELL UNIFICARE 1860 ~1970 ØRSTEAD FRACTALI/HAOS FARADAY ~1980 ~1820

1600

1600

1600

Evenimente majore în istoria fizicii moderne

În cea mai mare parte a secolului trecut, fizica s-a îndepărtat de viaţa noastră de zi cu zi, de fenomenele pe care le putem observa cu ochiul liber. Au fost realizate acceleratoare din ce în ce mai mari și aparate din ce în ce mai complicate pentru a studia efectele bizare despre care fizicienii pretind că ar arunca lumină asupra modului în care ar putea fi unificate teoriile gravitaţiei cu teoriile de la nivelul atomic. Însă până acum fără succes.

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

19


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 20

În anii 1980, o serie de noi teorii, cum ar fi teoria haosului, a fractalilor, teoria autoorganizării și complexităţii au adus din nou în centrul atenţiei viaţa noastră de zi cu zi. Poate că fizica a înţeles multe detalii dificile prin intermediul experimentelor realizate în complexe de cercetare sofisticate, însă este presată serios să explice fenomenele cotidiene; știinţa are dificultăţi atunci când trebuie să răspundă unor întrebări de genul celor pe care le pun copiii — întrebări despre forma pe care o ia natura, despre copaci, nori, lanţuri muntoase și flori. Teoriile despre haos și fractali au captat atenţia publicului larg, căci ele conţin idei noi și originale și au adus odată cu ele o formă estetică complet nouă, în special odată cu posibilitatea de a reprezenta grafic fractalii cu ajutorul calculatorului. Dar, de fapt, cel mai interesant aspect al acestei noi direcţii este acela că, în combinaţie, aceste domenii aduc o serie de inovaţii conceptuale spectaculoase care pot duce la cea de-a Treia Mare Unificare: nu o teorie care să unifice gravitaţia și teoria atomică, ci o unificare a știinţei cu viaţa cotidiană. O teorie care ar urma să explice, în același timp, începutul universului și conștiinţa de zi cu zi; o teorie care ar urma să explice de ce concepte precum acela de „înţeles“, de pildă, sunt conectate cu concepte precum acela de „gaură neagră“. Această unificare ar avea o însemnătate la fel de mare ca aceea a unificărilor realizate de Newton și Maxwell. Există multe indicii că ea trebuie să apară. Și toate acestea datorită unui puzzle care a fost rezolvat în anii 1980. Un puzzle formulat în 1867 de James Clerk Maxwell: demonul lui Maxwell. „O fantomă bântuie știinţa: fantoma informaţiei.“6 Cu această referire indirectă la Manifestul Partidului Comunist, fizicianul Wojcieh Zurek a deschis o reuniune care a avut loc în 1988 la Santa Fé, New Mexico. O reuniune în cadrul căreia patruzeci dintre cei mai de seamă fizicieni ai lumii și câţiva matematicieni s-au întâlnit pentru a discuta despre „Complexitate, Entropie și Fizica Informaţiei“. Zurek a vorbit despre un număr de „analogii profunde“ între diferite extreme ale fizicii — și între fizică și viaţa de zi cu zi. Analogii între felul în care funcţionează motoarele cu aburi și teoria comunicării; între măsurători ale fenomenelor atomice și teoria cunoașterii; între găurile negre din univers și nivelul dezordinii dintr-o ceașcă de ceai; între calculele realizate de un calculator și fundamentele matematicii; între complexitatea sistemelor biologice și expansiunea universului. Atunci când aceiași fizicieni s-au întâlnit din nou, doi ani mai târziu, pentru o altă conferinţă, discuţiile au fost deschise de fizicianul american John A. Wheeler, pe atunci în vârstă de șaptezeci și nouă de ani. În 1939,

20

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 21

Wheeler a dus la bun sfârșit teoria fisiunii nucleare, împreună cu Niels Bohr. Tot Wheeler este cel care a dat nume celui mai straniu fenomen prezis de teoria gravitaţiei a lui Einstein: găurile negre. Wheeler, căruia îi plăcea să joace rolul de profet, era marele maestru în multe ramuri ale fizicii, despre care s-a discutat în cadrul întâlnirii. La început, omuleţul scund și rotofei, cu o faţă întotdeauna binevoitoare, întotdeauna fericită, a trecut cu privirea peste grupul mic, dar extrem de calificat de fizicieni adunaţi în aula micului Institut Santa Fé, pe 16 aprilie 1990. Apoi a spus: „Aceasta nu este o reuniune obișnuită. Până la sfârșitul săptămânii, mă aștept să ajungem să aflăm cum este alcătuit universul.“7 Wheeler a început apoi să critice mai multe „vaci sacre“ ale fizicii. „Nu există nici spaţiu și nici timp“, a spus el, lansând un atac asupra conceptului de „realitate“. „Acolo, afară, nu există un afară...“ „Ideea existenţei unui singur univers — Lumea — este absurdă. Facem cu toţii parte din acest univers pe care îl observăm — este un miracol că noi ajungem să avem aceeași viziune asupra universului. Dar până la sfârșitul săptămânii, am putea să aflăm cum poate apărea așa ceva din nimic“, a spus Wheeler micului grup de oameni de știinţă. Nu toată lumea a fost de acord. Acea săptămână nu a schimbat viziunea noastră asupra universului, dar s-a răspândit sentimentul că a sosit vremea să începem din nou și să regândim totul încă o dată. Mai mulţi oameni de știinţă de talie mondială au prezentat comunicări în care erau analizate critic toate ideile fundamentale ale fizicii. „Aș vrea să vorbesc despre ceea ce nu se spune în manuale“, a explicat Edwin T. Jaynes, un alt fizician american rotofei care, în anii ‘50, a formulat o nouă expunere teoretică a termodinamicii, teoria care constituie temelia entropiei și informaţiei, subiectele centrale în cadrul reuniunii din 1990. „Ah, poate că manualele spun aceste lucruri în sensul că formulele sunt acolo, însă nu spun nimic despre ce înseamnă acele formule“, a spus Jaynes. „Matematica pe care am să o folosesc acum este mult mai simplă decât cea pe care suntem în stare să o folosim. Dar problemele nu sunt matematice, sunt conceptuale.“ În timpul unei pauze, Thomas Cover, un matematician de la Stanford University, a întrebat: „Toate conferinţele de fizică sunt așa? Este ca și cum ai mânca dulciuri!“ Reuniunea respectivă a fost însă o excepţie. Astfel de întruniri la care participanţii vin fără idei preconcepute au fost într-adevăr rare de-a lungul timpului. În cadrul acestei reuniuni s-au putut auzi aceleași întrebări care ne-au făcut să avem conflicte cu profesorii la școală: „Ce înseamnă asta? cum o putem înţelege?“ În cadrul întrunirii, cei mai buni specialiști din lume au putut fi auziţi exclamând: „De ce ar trebui mașina mea să fie interesată de ceea ce știu eu despre lume?“

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

21


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 22

Fizica părea să fi renăscut. Și toate acestea datorită primei teme serioase aduse în discuţie atunci când Wheeler a dat tonul: demonul lui Maxwell. Căldura. Dacă este ceva despre care noi, oamenii, știm câte ceva, acest lucru este căldura. Căldura corpului. Căldura verii. Aparate de încălzit. Însă până la mijlocul secolului al XIX-lea fizicienii nu aveau încă o definiţie a căldurii. În Grecia antică, Aristotel privea focul ca pe un element independent, inexplicabil, la fel ca și aerul, pământul și apa, iar căldura o vedea ca pe una dintre cele patru calităţi primare ale căror combinaţii defineau aceste elemente. La începutul anilor 1800, dominau încă idei asemănătoare, care tratau căldura ca pe o substanţă specială, o materie termică, calorică, care înconjura toate corpurile. Dar devenise destul de presantă nevoia de a formula o teorie care să spună ce este de fapt căldura, mai ales că inventarea de către James Watt, în 1769, a unui eficient motor cu aburi nu numai că inaugurase posibilitatea industrializării, ci, de asemenea, adusese în actualitate discuţii extinse cu privire la o mașină cu mișcare perpetuuă. Pe măsură ce motorul cu aburi se răspândea în întreaga Europă, oamenii de știinţă trebuiau pur și simplu să înţeleagă termodinamica. Prima contribuţie decisivă a fost adusă în 1824 de către francezul Sadi Carnot, care, influenţat de experienţa inginerească cu mașinile pe bază de căldură a tatălui său, Lazare Carnot, și mai puţin de cunoștinţele de fizică ale acestuia, a formulat o descriere a motoarelor cu aburi care, decenii mai târziu, va fi exprimată sub forma primei și celei de-a doua legi a termodinamicii. Prima lege a termodinamicii vorbește despre cantitatea de energie din lume. Această cantitate este constantă. Energia nici nu apare, nici nu dispare atunci când o „consumăm“. Putem transforma cărbunele în abur fierbinte sau uleiul în căldură, însă energia implicată se transformă pur și simplu dintr-o formă în alta. Acest lucru intră în conflict cu înţelesul obișnuit al cuvântului „energie“, pe care îl folosim atunci când vorbim de un lucru pe care îl consumăm. De pildă, spunem că o anumită ţară are un anumit nivel al consumului de energie. Dar asta este un nonsens, potrivit definiţiei fizice a energiei. O ţară schimbă o formă de energie în alta. De exemplu, ulei în căldură. Dar cantitatea de energie rămâne constantă. Însă limbajul nostru cotidian nu este chiar atât de lipsit de sens, căci este limpede că se consumă ceva atunci când ne încălzim locuinţele: nu mai putem recupera uleiul pe care l-am folosit. Așadar, atunci când „consumăm“ energie, se petrece totuși ceva, chiar dacă prima lege a termodinamicii afirmă că energia din lume este constantă și nu poate fi consumată. Căci, așa cum explică cea de-a doua lege a termodinamicii, energia poate fi folosită.

22

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 23

Cea de-a doua lege a termodinamicii ne spune că energia poate apărea în forme mai mult sau mai puţin utilizabile. Unele forme de energie ne pot permite să îndeplinim o cantitate uriașă de munci utile cu ajutorul unei mașini care poate accesa acea energie. Putem îndeplini sarcina de a încălzi o locuinţă, de a pune în mișcare un tren sau de a da cu aspiratorul. Energia există în multe forme — și deși această energie este constantă, formele pe care le capătă nu sunt, cu siguranţă, la fel. Unele forme de energie pot fi folosite pentru a realiza multe tipuri diferite de munci utile. Astfel, electricitatea este una dintre cele mai utile forme de energie; alte forme nu pot fi folosite la fel de ușor. De regulă, căldura nu are prea multe utilizări, cu excepţia încălzitului. Însă căldura poate să fie folosită, cu siguranţă, și pentru sarcini ceva mai specifice decât „încălzirea“. Cu ajutorul căldurii putem alimenta o locomotivă cu aburi. Dar nu obţinem la fel de multă putere dacă alimentăm o locomotivă cu căldură faţă de câtă putem obţine dacă sursa de energie este curentul electric. Dacă folosim căldură, care este energia cea mai slabă din punct de vedere calitativ, trebuie să avem la dispoziţie o cantitate mai mare de energie. Motorul cu aburi i-a ajutat pe oameni să înţeleagă că energia poate să fie prezentă, fără însă să fie și disponibilă. Căldura este o formă de energie care nu este disponibilă în aceeași măsură ca electricitatea. Trebuie să transformăm mai multă căldură în energie pentru a face un tren să meargă. Nu consumăm mai multă energie, căci nu putem consuma energie, dacă este să vorbim precis. Dar atunci când există sub formă de căldură, se cheltuiește mai multă energie decât atunci când este disponibilă sub forma electricităţii. Adică mai multă energie este transformată. Cea de-a doua lege a termodinamicii descrie foarte precis acest aspect. Ea spune că ori de câte ori transformăm energie („consumăm energie“, așa cum am spune în limbajul de zi cu zi), rămâne din ce în ce mai puţină energie disponibilă; putem realiza mai puţine sarcini cu ea. Pur și simplu așa stau lucrurile, spune cea de-a doua lege; orice transformare de energie duce la scăderea cantităţii de energie disponibilă. (Există cazuri foarte speciale în care energia poate fi transformată într-o manieră reversibilă, însă acestea se întâlnesc mai mult în manualele de fizică și niciodată în viaţa reală.) Energia din lume este constantă, dar devine din ce în ce mai puţin valoroasă — din ce în ce mai puţin disponibilă — pe măsură ce o folosim. Așadar, legile termodinamicii afirmă că energia este constantă, dar devine din ce în ce mai puţin disponibilă. La sfârșitul secolului al XIX-lea, aceste două legi i-au făcut pe oameni să creadă că lumea se va confrunta cu un viitor sumbru: la urma urmei, cu cât transformăm mai multă energie, cu atât rămâne mai puţină energie disponibilă, până când, în cele din urmă, toată energia va sfârși sub formă de căldură, cea mai puţin disponibilă formă de energie.

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

23


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 24

Oamenii au numit această stare „moartea termică“ a universului: totul va sfârși sub forma unei călduri uniforme, moderate, fără decalaje care ne-ar permite să folosim căldura pentru a realiza vreo muncă utilă. Experienţa căpătată cu motoarele cu aburi ne-a arătat foarte limpede că putem folosi căldura pentru a realiza diferite sarcini numai dacă există un decalaj: un decalaj între două temperaturi. Trenul poate fi pus în mișcare numai pentru că boilerul motorului cu aburi este cu mult mai fierbinte decât mediul din jurul său. Putem realiza o muncă utilă cu ajutorul căldurii numai dacă putem răci din nou partea care este fierbinte. Dar consecinţa răcirii unui obiect până la temperatura mediului său ambient este aceea că nu putem să îl înfierbântăm apoi din nou decât folosind energie. Odată ce am răcit cafeaua (după ce a fost încălzită cu ajutorul electricităţii folosite de plită), ea nu se va încălzi niciodată din nou (decât dacă punem iar în funcţiune plita electrică). Decalajele dintre nivelurile de energie sunt eliminate o dată pentru totdeauna. Așadar, a doua lege a termodinamicii pare să ne spună că trăim într-o lume în care totul se îndreaptă către răceală, similaritate, uniformitate și cenușiu: moartea termică a universului. Dacă nu s-ar întâmpla acest lucru, sarcina unui inginer ar fi foarte ușoară. La urma urmei, există suficientă energie în lume și aceasta nu dispare nicăieri. Am putea doar să folosim aceeași energie la nesfârșit. Am putea să realizăm un perpetuum mobile fără nicio dificultate. Din păcate, lucrurile nu stau așa. Asta spune cea de-a doua lege a termodinamicii. În 1859, un fizician prusac pe nume Rudolf Clausius a dat acestui fapt un nume: entropie. Entropia este o măsură a indisponibilităţii unei anumite cantităţi de energie. Cu cât entropia este mai mare, cu atât mai puţin putem folosi acea energie. Cele două legi ale termodinamicii pot fi astfel exprimate într-un alt mod: potrivit primei legi, energia este constantă; iar conform celei de-a doua, entropia crește permanent. De fiecare dată când transformăm energie, crește entropia din sistemul în care este transformată energia. Acest lucru nu explică totuși ce este de fapt căldura, dar explică destul de multe din motivele pentru care căldura este o formă de energie atât de specială: în căldură există multă entropie; mult mai multă decât în curentul electric. La scurtă vreme, fizicienii au ajuns totuși la o înţelegere a căldurii. Unele dintre cele mai importante contribuţii au venit din partea lui James Clerk Maxwell și a lui Ludwig Boltzmann. Aceștia au înţeles că o idee veche putea fi formulată mai precis: ideea că în căldură avem de fapt, o formă de mișcare a materiei. Premisa de la care au pornit ei a fost teoria atomilor, ideea că materia este alcătuită dintr-un număr uriaș de mici particule aflate în mișcare constantă.

24

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 25

La sfârșitul secolului al XIX-lea teoria atomilor nu era acceptată pe scară largă, însă astăzi este limpede că întreaga materie este alcătuită din atomi aflaţi într-o mișcare constantă. Atomii se adună în grupuri mici, numite molecule, și fiecare tip de materie este alcătuită dintr-un anumit tip de molecule formate dintr-unul din cele nouăzeci și două de tipuri de atomi care există. Se găsesc însă diferite forme de mișcare. Solidele își păstrează forma în pofida mișcării moleculelor care le alcătuiesc; fluidele sunt mai elastice și iau forma fundului recipientului în care se află; aerul este complet mobil, umplând întregul recipient. Acestea sunt cele trei stări sau faze în care există materia: solidă, fluidă și gazoasă. (Există de fapt și o a patra stare, plasma, în care atomii s-au ciocnit și s-au spart în bucăţi; în viaţa de zi cu zi, această stare ne este familiară sub forma focului.) Diferenţa dintre aceste trei stări nu este atât de mare pe cât ne-am putea gândi. Datorită unei substanţe foarte obișnuite, pe care o întâlnim la tot pasul, și anume H2O (care este alcătuită din atomi de oxigen —O— și de hidrogen —H— , având doi atomi de hidrogen per moleculă) suntem familiarizaţi cu cele trei stări: gheaţă, apă și vapori de apă. La temperaturi scăzute, moleculele se mișcă foarte încet. Structura poate fi menţinută. Dacă temperatura crește puţin, moleculele se mișcă ceva mai repede și își pot schimba locurile între ele; dar legăturile dintre ele încă se păstrează. La temperaturi de peste 100 de grade Celsius, toate moleculele se separă și se mișcă liber sub forma aburului — adică sub formă de gaz. Transformările între aceste stări sau faze sunt cunoscute sub numele de „transformări de stare“. În toate aceste mișcări provocate de căldură, moleculele se deplasează haotic, încoace și încolo. Această mișcare a moleculelor indusă de căldură nu are nicio direcţie anume. Dar căldura nu este singura formă de mișcare a materiei: un curent electric este, de asemenea, o manifestare a mișcării. Însă în cazul electricităţii, nu toate moleculele se mișcă aleator. Într-un curent electric, există o componentă a atomilor din molecule — electronii cu sarcină negativă — care se mișcă într-o direcţie specifică. Există mai multă ordine într-un curent electric decât în mișcarea haotică pe care o întâlnim în cazul căldurii. În mod asemănător, un curent atmosferic diferă, la rândul său, de căldură: un număr enorm de molecule merg într-o direcţie specifică, în loc să se învârtească haotic. Tocmai de aceea morile de vânt constituie o manieră inteligentă de a genera curent, pe când centralele pe bază de combustibil fosil sau centralele nucleare sunt mai puţin elegante, căci ele folosesc un combustibil pentru a încălzi apa care pune în mișcare o turbină. Ocolul acesta prin apa fierbinte este un preţ ridicat pe care trebuie să-l plătim pentru jucăriile favorite ale inginerilor. În orice caz, putem afla multe lucruri despre materie dacă înţelegem că este alcătuită din mici componente identice aflate într-o anumită stare de mișcare. Mișcarea implică o anumită cantitate de energie, fie că este ordo-

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

25


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 26

nată, ca în cazul vântului, sau dezordonată și haotică, ca în cazul căldurii. Vântul este mai util decât căldura pentru a genera curent, tocmai pentru că are o direcţie a mișcării. Dar există încă suficient de multă energie în căldură; este doar dificil de recoltat, căci este prinsă într-o mișcare atât de dezordonată. Temperatura este o expresie a vitezei specifice cu care se mișcă moleculele. Ceea ce înţelegem prin căldură și măsurăm sub forma temperaturii este mișcarea aceasta dezordonată. Înseamnă oare acest lucru că toate moleculele dintr-un gaz au exact aceeași viteză? Cum ţin pasul unele cu altele atunci când dăm drumul la calorifer? Aceasta este exact dilema pe care a rezolvat-o Maxwell. El a introdus, pentru prima dată, concepte statistice în fizică. Moleculele nu se mișcă toate cu aceeași viteză. Unele au o viteză enormă, altele o viteză mult mai mică. Însă vitezele lor au o distribuţie caracteristică, și anume distribuţia Maxwell-Boltzman, care afirmă că moleculele au o anumită viteză medie, dar că poate varia. Dacă media respectivă este ridicată, temperatura este ridicată; dacă este scăzută, temperatura este scăzută. Însă în materia aflată la o anumită temperatură, moleculele manifestă viteze foarte diferite. Majoritatea au viteze apropiate de medie. Într-o substanţă fierbinte întâlnim mai multe molecule cu viteză mare decât în una rece. Dar găsim, de asemenea, molecule care se mișcă repede într-o substanţă rece și molecule letargice într-una fierbinte. Acest lucru ne permite să înţelegem evaporarea. Cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât vor fi mai multe molecule cu viteză mare. Dacă ne imaginăm evaporarea sub forma unor minuscule rachete moleculare care ies în spaţiu, atunci, cu cât un lichid este mai fierbinte, cu atât mai multe molecule se risipesc. Însă distribuţia statistică a vitezelor are o consecinţă interesantă: nu putem spune, examinând doar o moleculă izolată, ce temperatură are substanţa de care aparţine. Cu alte cuvinte, o moleculă nu poate să știe ce nivel de temperatură are substanţa din care face parte. Temperatura este un concept care are înţeles numai dacă avem mai multe molecule în același timp. Este un nonsens să întrebăm fiecare moleculă ce temperatură are. Pentru că moleculele individuale nu știu acest lucru. Ele cunosc o singură viteză: propria lor viteză. Oare așa să fie? După o vreme, o moleculă dintr-un gaz se va fi ciocnit deja de mai multe ori cu alte molecule și, prin urmare, a dobândit o anumită „cunoaștere“ despre vitezele celorlalte molecule. Tocmai de aceea materia capătă o temperatură uniformă: moleculele continuă să se ciocnească unele de altele și să schimbe între ele viteze; se ajunge astfel la o stare de echilibru. Atunci când vrem să încălzim o substanţă, este suficient să pu-

26

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 27

nem sursa de căldură dedesubtul ei. Viteza mare cu care se vor mișca moleculele de la fundul recipientului se va răspândi rapid în rândul tuturor moleculelor. Contribuţia lui Maxwell a fost aceea că a pus bazele studierii legilor care guvernează acest comportament. Mișcarea și coliziunile micilor molecule pot fi descrise foarte frumos conform vechilor legi ale lui Newton cu privire la mișcarea și ciocnirea unor bile de biliard. Se dovedește că atunci când există suficiente bile (și există enorm de multe molecule în aer, de pildă, într-o încăpere obișnuită, există aproximativ 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 [1027] molecule), legile mișcării ale lui Newton duc la reguli statistice pentru materie cu care suntem familiarizaţi: reguli pentru temperatură, presiune și volum; reguli pentru scăderea nivelului de energie disponibilă prezentă în căldură. Dar e ceva ciudat în această imagine. Legile lui Newton care se aplică bilelor de biliard și altor fenomene mecanice sunt legi de o simplitate foarte frumoasă. Ele descriu fenomene reversibile: fenomene reversibile în timp. În universul lui Newton, timpul ar putea merge înapoi și noi nu am putea să ne dăm seama de diferenţă. Însă în lumea termodinamicii, comportamentul bilelor duce la ciudăţenii precum cea de-a doua lege a termodinamicii. Dacă amesteci o substanţă caldă cu una rece, nu le mai poţi separa ulterior. Odată cu răcirea ceștii noastre de cafea, s-a petrecut ceva ireversibil. Un grup de molecule cu viteză mare este amestecat cu un grup de molecule cu o viteză mai mică; bilele se ciocnesc și capătă o nouă viteză medie. Acest lucru risipește diferenţa o dată pentru totdeauna; nu mai poţi separa moleculele care aveau o viteză mare de cele care aveau o viteză mai scăzută, căci molecula individuală nu are nici cea mai mică idee ce temperatură are substanţa din care face parte în orice moment dat. Odată ce cărţile moleculare au fost amestecate, nu mai există nicio cale pentru a le reașeza în ordinea în care se aflau anterior. Ludwig Boltzmann a fost cel care a formulat aceste idei cu exactitate, în anul 1879, în preajma morţii lui Maxwell: nu există probabilitatea specială ca legile lui Newton să determine ca toate moleculele să se întoarcă dintr-odată la vitezele lor iniţiale. De fapt, acest lucru este foarte improbabil. Pe măsură ce trece timpul, amestecul de molecule va deveni din ce în ce mai omogen. Rece și cald vor ajunge să devină calduţ. Iată de ce crește entropia. Entropia este expresia indisponibilităţii unei anumite energii. Dacă această energie există sub formă de căldură — măsurată ca temperatură — ea poate fi exploatată numai amestecând ceva fierbinte cu ceva rece (aburul și aerul rece din mediul înconjurător se amestecă în motorul cu aburi, de pildă). Însă odată ce am amestecat aceste bunătăţi, nu le mai putem separa și să ne așteptăm ca procesul să o ia de la capăt.

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

27


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 28

Motivul este tocmai această egalizare care are loc — o egalizare care este ireversibilă și reprezintă motivul pentru care entropia din univers crește. În mod ireversibil. Boltzmann a dobândit astfel o înţelegere a căldurii și a ceea ce, foarte curând, a ajuns să fie privită drept legea fundamentală a naturii: a doua lege a termodinamicii. Și, de asemenea, într-un anumit sens, chiar o înţelegere a ceea ce înseamnă, de fapt, trecerea timpului: moleculele schimbă între ele viteze, mișcarea lor se uniformizează; capătă o viteză medie, ajung la un echilibru. Există o diferenţă între prezent și viitor; noi ne îndreptăm de la diferenţă către uniformitate. Însă mulţi fizicieni din vremea respectivă au criticat viziunea lui Boltzmann. Nu putem, au spus ei, să deducem astfel de legi ireversibile și irevocabile precum cele ale termodinamicii din legile lui Newton cu privire la mișcare și cinetică, adică din fizica mesei de biliard. Pentru că imaginea despre lume a fizicii lui Newton este străbătută cu atâta măreţie de reversibilitate: toate ecuaţiile se pot inversa în timp, toate procesele sunt aceleași, înainte și înapoi. Dacă luăm în considerare orice experienţă din viaţa de zi cu zi, putem afirma că lucrurile din această lume sunt pur și simplu ireversibile: atunci când un obiect casant cade pe podea, nu se repară de la sine; căldura iese pe horn; o masă de lucru murdară devine cu timpul și mai murdară. Timpul trece și totul piere. Lucrurile se dezmembrează. A văzut cineva vreodată o farfurie spartă care se recompune singură din bucăţi? Însă aceste lucruri nu-i preocupau pe criticii lui Boltzmann, căci teoriile lui Newton reprezentau însuși idealul oricărei teorii fizice și era ceva groaznic de greșit în această viziune, care deducea ceva irevocabil din ceva revocabil, ireversibilul din reversibil. Fizicienii contemporani cu Boltzmann au susţinut că acesta a înţeles greșit timpul. La sfârșitul secolului al XIX-lea, teoria conform căreia materia este alcătuită din atomi nu era încă unanim acceptată. Fundamentul teoretic al tututor ideilor lui Maxwell și ale lui Boltzmann cu privire la căldură ca fenomen statistic, care are loc în aglomerări enorme de molecule, a fost atacat vehement. Abia în primele decenii ale secolului XX fizicieni precum Einstein, J.J. Thompson și Bohr au stabilit o dată pentru totdeauna faptul că atomii există cu adevărat. În 1898, în prefaţa la o carte despre teoria mișcării moleculelor din aer, Boltzmann scria că este „convins că aceste atacuri se bazează pe o neînţelegere“ și că este „conștient de faptul de a fi doar un singur om care luptă cu forţe puţine împotriva curentului timpului.“8 Când a împlinit șaizeci și doi de ani, în 1906, Bolzmann nu era încă sărbătorit ca un erou, în pofida contribuţiilor uriașe pe care le adusese la dezvoltarea fizicii. Era chinuit de depresie și de teama de a ţine prelegeri. A

28

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 29

fost nevoit să refuze un post de profesor la Leipzig și să se izoleze de lumea știinţifică. Cu un an în urmă, scrisese într-o carte foarte populară: „Aș putea să spun că sunt singurul care a mai rămas dintre cei care îmbrăţișau vechile teorii din toată inima; cel puţin sunt singurul care am luptat pentru ele cu toate puterile mele.“9 Dar puterile sale s-au epuizat. Aflat într-o vacanţă de vară în apropiere de Trieste, pe 6 septembrie 1906, Boltzmann și-a curmat viaţa.10 Unificarea reversibilităţii din ecuaţiile sublime ale lui Newton cu ireversibilitatea din viaţa de zi cu zi nu a fost să fie realizată de Boltzmann, în pofida faptului că aceasta era exact problema pe care o întâlnise Maxwell în 1867, atunci când și-a imaginat acel demon viclean care, după mai mult de o sută de ani de discuţii, va pune în lumină și va explica dificultatea care s-a dovedit a fi ireversibilă pentru Ludwig Boltzmann. „Demonul lui Maxwell continuă să trăiască. După mai mult de 120 de ani de viaţă incertă și cel puţin două declaraţii de deces, acest personaj fantastic pare mai viu ca niciodată“, scriau doi fizicieni americani, Harvey Leff și Andrew Rex, în 1990, cu ocazia publicării unei cărţi de istoria știinţei, care elucidează povestea demonului lui Maxwell — o poveste pe care cei doi fizicieni o consideră un capitol ignorat din istoria știinţei moderne. „Demonul lui Maxwell nu este decât o simplă idee“, scriu cei doi autori. „Și cu toate acestea, a pus în dificultate unele dintre cele mai mari minţi știinţifice, iar literatura dedicată lui cuprinde termodinamica, fizica statistică, teoria informaţiei, cibernetica, teoria calculului, știinţele biologice și istoria și filosofia știinţei.“11 În 1867, fizicianul Peter Guthrie Tait îi scria prietenului său apropiat și colegului său de universitate James Clerk Maxwell pentru a-l ruga să facă o lectură critică a unui manuscris despre istoria termodinamicii înainte ca acesta să fie dat spre publicare. Maxwell a răspuns că i-ar face plăcere, deși nu era prea familiarizat cu detaliile istoriei termodinamicii; dar putea să facă

STÂNGA DREAPTA

Demonul lui Maxwell într-un container cu douã compartimente. Moleculele din ambele încãperi au aceleaºi viteze. Demonul lui Maxwell dupã sortarea moleculelor: cele cu vitezã mare în dreapta, cele cu vitezã micã în stânga.

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

29


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 30

unele observaţii critice pe marginea textului. După care Maxwell continuă scrisoarea, făcând deja o observaţie cu privire la o lipsă a textului pe care încă nici nu-l văzuse: o lipsă în cea de-a doua lege a termodinamicii. Ideea lui Maxwell era simplă: un gaz este închis într-un recipient cu două compartimente A și B. Un orificiu din diagrama care separă cele două compartimente, poate fi deschis și închis fără să se acţioneze direct asupra lui— cu alte cuvinte, prin intermediul unui soi de ecran suplimentar. „Acum să ne imaginăm o fiinţă care nu este atotputernică, dar care cunoaște traseele și vitezele tuturor moleculelor doar prin simpla observare a lor, însă care nu poate face altceva decât să deschidă și să închidă un orificiu în diafragmă prin intermediul [acestui] ecran fără masă“, îi scria Maxwell lui Tait.12 Apoi a continuat să descrie felul în care micuţa creatură deschide orificiul de fiecare dată când o moleculă rapidă din compartimentul din stânga se îndreaptă către ecranul care blochează diafragma. Atunci când o moleculă lentă din același compartiment se apropie de ecran, acesta rămâne închis. Așadar, numai moleculele rapide trec din compartimentul din stânga în cel din dreapta. Și invers, numai moleculele lente din compartimentul din dreapta sunt lăsate în cel din stânga. Rezultatul este o aglomerare de molecule rapide în compartimentul din dreapta și de molecule lente în cel din stânga. Numărul moleculelor este constant în ambele compartimente, însă viteza lor medie este diferită în cele două compartimente. Temperatura crește în compartimentul din dreapta, în vreme ce în cel din stânga scade. Se creează astfel un decalaj. „Și totuși, nu s-a acţionat în niciun fel asupra moleculelor“, scria Maxwell. „A fost folosită numai inteligenţa unei fiinţe foarte îndemânatice și cu un spirit de observaţie foarte ascuţit.“13 Aparent, Maxwell descoperise un defect în cea de-a doua lege a termodinamicii: un individ mititel și foarte înzestrat poate crea căldură într-un mediu cu o temperatură moderată fără să acţioneze asupra moleculelor. „Pe scurt“, scria Maxwell, „dacă această căldură este mișcarea unor porţiuni finite de materie și dacă putem folosi instrumente pentru a acţiona asupra unor astfel de porţiuni de materie, astfel încât să le tratăm în mod selectiv, înseamnă că putem profita de mișcările variate de diferite proporţii pentru a readuce un sistem cu o temperatură fierbinte distribuită uniform la temperaturi inegale sau la mișcări ale unor mase foarte mari. Numai că nu putem, de vreme ce nu suntem suficienţi de înzestraţi.“14 Suntem prea mari și neîndemânatici pentru a putea să evităm cea de-a doua lege a termodinamicii. Dar dacă am fi puţin mai îndemânatici și am avea un spirit de observaţie mai ascuţit, am putea separa moleculele prezente în aerul din bucătărie, folosindu-le pe unele pe post de frigider și pe

30

Iluzia utilizatorului

Demonul lui Maxwell


Iluzia_BT_PUBLICA.qxp

12/9/2009

6:58 PM

Page 31

celelalte pe post de cuptor, fără ca acest lucru să apară pe factura noastră de electricitate. Trei ani mai târziu, Maxwell îi scria lordului Rayleigh, un alt fizician: „Morala. A doua lege a termodinamicii are același grad de adevăr ca și enunţul care spune că dacă verși un pahar plin cu apă în mare, nu poţi să scoţi înapoi exact același pahar cu apă.“15 Maxwell voia să arate că a doua lege a termodinamicii este validă numai statistic: este o lege care se aplică numai la nivelul nostru, nu și la nivelul unor creaturi mult mai mici, care ar poseda în același timp o inteligenţă considerabilă. Atunci când descriem lumea așa cum o cunoaștem, sub forma unor aglomerări foarte mari de molecule, legea care vorbește despre creșterea entropiei și despre scăderea disponibilităţii energiei se aplică într-adevăr. Dar dacă am fi doar puţin mai înzestraţi, am putea să obţinem căldură dintr-un mediu cu o temperatură mult mai scăzută pur și simplu deschizând fereastra atunci când moleculele rapide s-ar îndrepta către noi dinspre frigul nopţii (oricât de rare ar fi acestea) sau atunci când moleculele lente ar vrea să iasă din cameră. Un perpetuum mobile realizat doar cu ajutorul unei atenţii inteligente. Maxwell a publicat ideea micuţului individ într-o carte numită Teoria căldurii, în 1871, iar trei ani mai târziu un alt fizician, William Thompson, a poreclit micuţa creatură „demon“ — nu o creatură răutăcioasă, ci „o fiinţă inteligentă înzestrată cu liber arbitru și cu un sistem perceptiv suficient de fin încât să poată observa și influenţa moleculele individuale din materie.“16 Demonul lui Maxwell ne spune o poveste tulburătoare: motivul pentru care trebuie să muncim pentru a obţine căldură în timpul iernii este dat de propria noastră imperfecţiune, nu de cea a universului. Totul se îndreaptă către dezordine și confuzie pentru simplul motiv că suntem prea mari și prea neîndemânatici pentru a manipula individual componentele materiei. Maxwell a atras astfel atenţia asupra diferenţei dintre descrierea mișcării aleatorii înainte și înapoi a moleculelor individuale — așa cum o găsim în ecuaţiile sublime ale lui Newton — și descrierea porţiunilor finite de materie — așa cum o găsim în prospectul morţii termice a universului — care va provoca, câteva decenii mai târziu, moartea lui Boltzmann. Termodinamica este o teorie statistică și ne spune ceva despre o lume pe care o putem cunoaște, dar la care nu putem ajunge niciodată, pentru că nu suntem suficient de înzestraţi. În realitate, nu este nicio diferenţă între diferitele forme de energie: toate sunt la fel de disponibile — pentru cine știe să le folosească. Faptul că energia devine din ce în ce mai puţin disponibilă este astfel strâns legat de descrierea pe care o dăm noi lumii și de posibilităţile de a interveni în cadrul acesteia, posibilităţi care decurg din această descriere.

Demonul lui Maxwell

Iluzia utilizatorului

31

Profile for Editura Publica

Iluzia_BT_Totalx - crop  

EDITORI: Cătălin Muraru Radu Minculescu Silviu Dragomir REDACTOR: Alexandra Hânsa COPERTA: Alexe Popescu Copyright © Tor Nørretrandres, 1991...

Iluzia_BT_Totalx - crop  

EDITORI: Cătălin Muraru Radu Minculescu Silviu Dragomir REDACTOR: Alexandra Hânsa COPERTA: Alexe Popescu Copyright © Tor Nørretrandres, 1991...

Advertisement