Capítulo 5 de A Natureza da Lei Física

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É óbvio para todos que os fenômenos do mundo são evidentemente irreversíveis. Quero dizer, acontecem coisas que não acontecem no sentido inverso. Você deixa cair uma xícara e ela quebra, e você pode ficar sentado por um longo tempo esperando que os pedaços se juntem e voltem para a sua mão. Se você observar as ondas do mar quebrando, pode ficar parado esperando o grande momento em que a espuma se junta, emerge do mar e recua para longe da costa — seria muito bonito!

A demonstração disso em palestras geralmente é feita com um trecho de um filme em que se observam diversos fenômenos, reproduzindo-o ao contrário e aguardando as risadas. As risadas servem apenas para ilustrar que aquilo não aconteceria no mundo real. Mas, na verdade, essa é uma maneira bastante frágil de expressar algo tão óbvio e profundo quanto a diferença entre o passado e o futuro; porque, mesmo sem um experimento, nossas próprias experiências internas são completamente diferentes para o passado e o futuro. Lembramos do passado, mas não do futuro. Temos uma consciência diferente sobre o que pode acontecer do que sobre o que provavelmente aconteceu. O passado e o futuro são percebidos de forma completamente distinta psicologicamente, com conceitos como memória e aparente livre-arbítrio , no sentido de que sentimos que podemos fazer algo para influenciar o futuro, mas nenhum de nós, ou muito poucos, acreditam que possamos fazer algo para influenciar o passado. Remorso, arrependimento, esperança e outros sentimentos semelhantes distinguem perfeitamente o passado do futuro.

Ora, se o mundo natural é feito de átomos, e nós também somos feitos de átomos e obedecemos às leis da física, a interpretação mais óbvia dessa distinção evidente entre passado e futuro, e dessa irreversibilidade de todos os fenômenos, seria que algumas leis, algumas das leis do movimento dos átomos, funcionam em uma única direção — que as leis atômicas não são tais que possam funcionar em ambas as direções. Deveria haver em algum lugar no funcionamento algum tipo de princípio segundo o qual o inverso só gera o inverso, e assim o mundo está sempre se transformando de um estado inverso para o inverso — e essa unidirecionalidade das interações das coisas seria o que faz com que todos os fenômenos do mundo pareçam funcionar em uma única direção.

Mas ainda não encontramos isso. Ou seja, em todas as leis da física que descobrimos até agora, não parece haver nenhuma distinção entre o passado e o futuro. O filme deveria funcionar da mesma forma nos dois sentidos, e o físico que o observa não deveria rir.

Tomemos a lei da gravitação como exemplo padrão. Se eu tiver um Sol e um planeta, e eu colocar o planeta em movimento em alguma direção, orbitando o Sol, e então eu filmar um filme, reproduzi-lo ao contrário e observá-lo, o que acontece O planeta continua orbitando o Sol, no sentido oposto, é claro, descrevendo uma elipse. A velocidade do planeta é tal que a área varrida pelo seu raio é sempre a mesma em intervalos de tempo iguais. Na verdade, ele simplesmente se move exatamente na direção que deveria. Não há como distinguir o movimento na direção oposta. Portanto, a lei da gravitação é de tal natureza que a direção não faz diferença; se você mostrar qualquer fenômeno envolvendo apenas a gravitação em movimento inverso em um filme, a imagem ficará perfeitamente satisfatória. Podemos explicar de forma mais precisa da seguinte maneira: se todas as partículas em um sistema mais complexo tivessem suas velocidades invertidas repentinamente, o sistema simplesmente se desfaria, passando por todas as estruturas em que se enrolou. Se você tiver muitas partículas realizando alguma atividade e, de repente, inverter a velocidade delas, elas desfarão completamente o que fizeram antes.

Isso está previsto na lei da gravitação, que afirma que a velocidade muda como resultado das forças. Se eu inverter o tempo, as forças não mudam e, portanto, as mudanças na velocidade não se alteram nas distâncias correspondentes. Assim, cada velocidade sofre uma sucessão de alterações exatamente na ordem inversa em que ocorreram antes, e é fácil provar que a lei da gravitação é reversível no tempo.

As leis da eletricidade e do magnetismo Reversíveis no tempo. As leis da interação nuclear Reversíveis no tempo, até onde sabemos. As leis do decaimento beta, sobre as quais falamos anteriormente Também reversíveis no tempo A dificuldade dos experimentos de alguns meses atrás, que indicam que há algo de errado, algo desconhecido sobre as leis, sugere a possibilidade de que, na verdade, o decaimento beta também não seja reversível no tempo, e teremos que aguardar mais experimentos para confirmar. Mas pelo menos o seguinte é verdade: o decaimento beta (que pode ou não ser reversível no tempo) é um fenômeno muito irrelevante para a maioria das circunstâncias comuns. A possibilidade de eu estar conversando com você não depende do decaimento beta, embora dependa de interações químicas, de forças elétricas, e não muito de forças nucleares no momento, mas também da gravitação. Mas eu sou unilateral — eu falo, e uma voz sai para o ar, e não retorna à minha boca quando a abro — e essa irreversibilidade não pode ser atribuída ao fenômeno do decaimento beta. Em outras palavras, acreditamos que a maioria dos fenômenos comuns do mundo, produzidos por movimentos atômicos, são regidos por leis que podem ser completamente revertidas. Portanto, teremos que investigar mais a fundo para encontrar a explicação da irreversibilidade.

Se observarmos com mais atenção o movimento dos nossos planetas ao redor do Sol, logo perceberemos que algo não está exatamente certo. Por exemplo, a rotação da Terra em torno do seu eixo está diminuindo ligeiramente. Isso se deve ao atrito das marés, e podemos ver que o atrito é algo obviamente irreversível. Se eu pegar um peso no chão e empurrá-lo, ele deslizará e parará. Se eu ficar parado esperando, ele não começará a se mover repentinamente, ganhará velocidade e virá até a minha mão. Portanto, o efeito do atrito parece ser irreversível. Mas o efeito do atrito, como discutimos em outro momento, é resultado da enorme complexidade das interações do peso com a madeira, da agitação dos átomos em seu interior. O movimento organizado do peso se transforma em oscilações desorganizadas e irregulares dos átomos na madeira. Assim, devemos observar a questão mais de perto.

Na verdade, temos aqui a chave para a aparente irreversibilidade. Vou usar um exemplo simples. Suponha que temos água azul, com tinta, e água branca, ou seja, sem tinta, em um tanque, com uma pequena separação, e então removemos a separação com muito cuidado. A água começa a se separar, azul de um lado e branca do outro. Espere um pouco. Gradualmente, o azul se mistura com o branco e, depois de um tempo, a água fica "azul-lago", quero dizer, meio a meio, a cor distribuída uniformemente por toda a água. Agora, se esperarmos e observarmos isso por um longo tempo, a separação não ocorre espontaneamente. (Você poderia fazer algo para separar o azul novamente. Poderia evaporar a água e condensá-la em outro lugar, coletar o corante azul e dissolvê-lo em metade da água, e colocar a mistura de volta. Mas, enquanto você estivesse fazendo tudo isso, você mesmo estaria causando fenômenos irreversíveis em outro lugar.) Por si só, o processo inverso não acontece.

Isso nos dá uma pista. Vamos observar as moléculas. Suponha que façamos uma filmagem da mistura de água azul e branca. A imagem ficará estranha se a reproduzirmos ao contrário, pois começaremos com água homogênea e, gradualmente, ela se separará — será obviamente bizarro. Agora, ampliamos a imagem para que cada físico possa observar, átomo por átomo, e descobrir o que acontece irreversivelmente — onde as leis de equilíbrio entre movimento direto e inverso deixam de funcionar. Então, você começa e observa a imagem. Há átomos de dois tipos diferentes (é ridículo, mas vamos chamá-los de azul e branco) vibrando o tempo todo em movimento térmico. Se começássemos do início, teríamos principalmente átomos de um tipo de um lado e átomos do outro tipo do outro lado. Agora, esses átomos estão se movimentando, bilhões e bilhões deles, e se começarmos com um tipo de átomo de um lado e o outro tipo do outro lado, veremos que, em seus movimentos irregulares perpétuos, eles se misturarão, e é por isso que a água fica mais ou menos uniformemente azul.

Vamos observar qualquer colisão selecionada dessa imagem. Na imagem em movimento, os átomos se aproximam de uma forma e ricocheteiam daquela. Agora, reproduza essa mesma parte do filme ao contrário e você verá o par de moléculas se movendo em direção oposta e ricocheteando desta forma. E o físico observa com seu olhar atento, mede tudo e diz: "Está tudo certo, isso está de acordo com as leis da física. Se duas moléculas se aproximassem por um lado, ricocheteariam por outro". É reversível. As leis da colisão molecular são reversíveis.

Então, se você observar com muita atenção, não conseguirá entender nada, porque cada uma das colisões é absolutamente reversível. No entanto, o filme mostra algo absurdo: na versão invertida, as moléculas começam misturadas — azul, branco, azul, branco, azul, branco — e, com o passar do tempo, através de todas as colisões, o azul se separa do branco. Mas isso não pode acontecer — não é natural que os acidentes da vida sejam tais que os azuis se separem dos brancos. Mesmo assim, se você assistir a este filme invertido com muita atenção, verá que cada colisão é normal.

Bem, veja bem, a irreversibilidade se resume aos acidentes naturais da vida. Se você começa com algo separado e faz alterações irregulares, ele se torna mais uniforme. Mas se ele começa uniforme e você faz alterações irregulares, ele não se separa. Poderia se separar, sim. Não é contra as leis da física que as moléculas se movimentem de forma a se separarem. É apenas improvável. Isso jamais aconteceria, nem em um milhão de anos. E essa é a resposta. As coisas são irreversíveis apenas no sentido de que ir em uma direção é provável, mas ir na direção oposta, embora seja possível e esteja de acordo com as leis da física, não aconteceria nem em um milhão de anos. É simplesmente ridículo esperar que, se você ficar sentado por tempo suficiente, a agitação dos átomos separe uma mistura uniforme de tinta e água em tinta de um lado e água do outro.

Agora, se eu tivesse colocado uma caixa em volta do meu experimento, de modo que houvesse apenas quatro ou cinco moléculas de cada tipo dentro dela, com o passar do tempo elas se misturariam. Mas acho que você poderia acreditar que, se continuasse observando, nas colisões irregulares e perpétuas dessas moléculas, depois de algum tempo — não necessariamente um milhão de anos, talvez apenas um ano — você veria que, acidentalmente, elas retornariam mais ou menos ao seu estado original, pelo menos no sentido de que, se eu colocasse uma barreira no meio, todas as brancas ficariam de um lado e todas as azuis do outro. Não é impossível. No entanto, os objetos reais com os quais trabalhamos não têm apenas quatro ou cinco moléculas azuis e brancas. Eles têm quatro ou cinco milhões, milhões, milhões, milhões, que vão se separar dessa forma. E assim, a aparente irreversibilidade da natureza não vem da irreversibilidade das leis físicas fundamentais; ela vem da característica de que, se você começa com um sistema ordenado e tem as irregularidades da natureza, o ricochete das moléculas, então a coisa segue em uma direção.

Portanto, a próxima pergunta é: como as coisas se ordenaram em primeiro lugar Ou seja, por que é possível começar com algo ordenado A dificuldade reside no fato de que começamos com algo ordenado e não terminamos com algo ordenado. Uma das regras do mundo é que as coisas passam de um estado ordenado para um desordenado. Aliás, essa palavra "ordem", assim como a palavra "desordem", é outro desses termos da física que não são exatamente os mesmos que na vida cotidiana. A ordem não precisa ser interessante para vocês, seres humanos; o importante é que existe uma situação definida, com tudo de um lado e tudo do outro, ou então estão misturados — e isso é o que chamamos de ordenado e desordenado.

A questão, então, é como as coisas se organizam em primeiro lugar e por que, quando observamos qualquer situação comum, que é apenas parcialmente organizada, podemos concluir que ela provavelmente se originou de uma situação mais organizada. Se eu observar um tanque de água, no qual a água é azul-escura de um lado e branca do outro, com uma tonalidade azulada entre as duas, e eu souber que o tanque ficou em repouso por vinte ou trinta minutos, então posso supor que ele chegou a esse estado porque a separação era mais completa no passado. Se eu esperar mais tempo, o azul e o branco se misturarão mais, e se eu souber que o tanque ficou em repouso por um tempo suficientemente longo, posso concluir algo sobre sua condição anterior. O fato de as laterais serem "lisas" só pode ocorrer porque a separação era muito mais satisfatória no passado; porque, se não fosse tão satisfatória no passado, a mistura teria se tornado mais homogênea desde então. Portanto, é possível inferir, a partir do presente, algo sobre o passado.

Na verdade, os físicos geralmente não fazem muito isso. Os físicos gostam de pensar que tudo o que você precisa fazer é dizer: "Estas são as condições, agora o que acontece a seguir". Mas todas as nossas ciências irmãs têm um problema completamente diferente: na verdade, todas as outras áreas estudadas — história, geologia, história astronômica — têm um problema de outro tipo. Descobri que elas são capazes de fazer previsões de um tipo completamente diferente das de um físico. Um físico diz: "Nesta condição, direi o que acontecerá a seguir". Mas um geólogo dirá algo como: "Cavei o solo e encontrei certos tipos de ossos. Prevejo que, se você cavar no solo, encontrará um tipo semelhante de ossos". O historiador, embora fale sobre o passado, pode fazê-lo falando sobre o futuro. Quando ele diz que a Revolução Francesa ocorreu em 1789, ele quer dizer que, se você consultar outro livro sobre a Revolução Francesa, encontrará a mesma data. O que ele faz é uma espécie de previsão sobre algo que nunca analisou antes, documentos que ainda precisam ser encontrados. Ele prevê que os documentos que contêm informações sobre Napoleão coincidirão com o que está escrito nos demais documentos. A questão é como isso é possível — e a única maneira de ser possível é sugerir que o passado do mundo era mais organizado nesse sentido do que o presente.

Algumas pessoas propuseram que a ordem no mundo surgiu da seguinte maneira: no início, todo o universo era apenas movimentos irregulares, como a água em suspensão. Observamos que, com um número muito pequeno de átomos, se esperasse tempo suficiente, a água poderia se separar acidentalmente.

Alguns físicos (há um século) sugeriram que tudo o que aconteceu foi que o mundo, este sistema que vem funcionando indefinidamente, flutuou. (Esse é o termo usado quando ele se desvia um pouco da condição uniforme ordinária.) Ele flutuou, e agora estamos vendo a flutuação se desfazer novamente. Você pode dizer: "Mas veja quanto tempo teríamos que esperar por uma flutuação dessas." Eu sei, mas se ela não tivesse flutuado o suficiente para produzir a evolução, para produzir uma pessoa inteligente, não teríamos percebido. Então, tivemos que esperar até estarmos vivos para notá-la — precisávamos de uma flutuação pelo menos tão grande. Mas acredito que essa teoria esteja incorreta. Acho que é uma teoria ridícula pelo seguinte motivo: se o mundo fosse muito maior e os átomos estivessem espalhados por toda parte, partindo de uma condição completamente misturada, então, se eu por acaso observasse os átomos em um único lugar e os encontrasse separados ali, eu não teria como concluir que os átomos em qualquer outro lugar também estariam separados. Na verdade, se fosse uma flutuação, e eu notasse algo estranho, a maneira mais provável de isso ter acontecido seria que não havia nada de estranho em nenhum outro lugar. Ou seja, eu teria que, por assim dizer, recorrer a probabilidades para desequilibrar a situação, e não adianta recorrer a probabilidades demais. No experimento com a água azul e branca, quando as poucas moléculas na caixa finalmente se separaram, a condição mais provável do restante da água ainda seria de mistura. Portanto, embora quando olhamos para as estrelas e para o mundo vejamos que tudo está ordenado, se houvesse uma flutuação, a previsão seria que, se olhássemos para um lugar onde nunca olhamos antes, encontraríamos desordem e uma bagunça. Embora a separação da matéria em estrelas, que são quentes, e espaço, que é frio, que já vimos, possa ser uma flutuação, então, em lugares onde nunca olhamos, esperaríamos encontrar as estrelas não separadas do espaço. E como sempre fazemos a previsão de que, em um lugar onde nunca olhamos, veremos estrelas em uma condição semelhante, ou encontraremos a mesma conclusão sobre Napoleão, Ou que veremos ossos como os que vimos antes, o sucesso de todas essas ciências indica que o mundo não surgiu de uma flutuação, mas de uma condição mais separada, mais organizada, no passado do que no presente. Portanto, acho necessário acrescentar às leis físicas a hipótese de que, no passado, o universo era mais ordenado, no sentido técnico, do que é hoje — penso que esta é a afirmação adicional necessária para dar sentido e compreender a irreversibilidade.

Essa afirmação, por si só, é obviamente desproporcional em termos temporais; ela diz que algo no passado é diferente do futuro. Mas ela está fora do âmbito do que normalmente chamamos de leis físicas, porque hoje tentamos distinguir entre a formulação das leis físicas que governam as regras pelas quais o universo se desenvolve e a lei que descreve a condição em que o mundo se encontrava no passado. Isso é considerado história astronômica — talvez um dia também faça parte das leis físicas. Agora, existem algumas características interessantes da irreversibilidade que eu gostaria de ilustrar. Uma delas é ver como, exatamente, uma máquina irreversível funciona na prática.

Suponha que construamos algo que sabemos que deve funcionar apenas de uma maneira — e o que vou construir é uma roda com uma catraca — uma roda dentada, com entalhes agudos para cima e entalhes relativamente mais lentos para baixo, em toda a sua extensão. A roda está em um eixo, e então há uma pequena lingueta, que está em um pivô e que é mantida pressionada por uma mola (fig. 26).

Agora a roda só pode girar em um sentido. Se você tentar girá-la no sentido oposto, as partes retas dos dentes ficam presas na lingueta e ela não gira, enquanto que, se você girar no sentido oposto, ela simplesmente passa por cima dos dentes, sem parar. (Você sabe do que estou falando: eles usam isso em relógios, e um relógio de pulso tem um mecanismo parecido dentro para que você só possa dar corda em um sentido, e depois de dar corda, ele segura a mola.) É completamente irreversível no sentido de que a roda só pode girar em um sentido.

Agora, imaginou-se que esta máquina irreversível, esta roda que só pode girar num sentido, poderia ser usada para algo muito útil e interessante. Como sabem, existe um movimento irregular perpétuo das moléculas, e se construirmos um instrumento muito delicado, ele estará sempre a vibrar porque está a ser bombardeado irregularmente pelas moléculas de ar na sua vizinhança. Bem, isso é muito inteligente, então vamos ligar a roda a um eixo com quatro pás, como este (fig. 27).

Elas estão em uma caixa de gás e são bombardeadas o tempo todo pelas moléculas de forma irregular, de modo que as pás são empurradas ora para um lado, ora para o outro. Mas quando as pás são empurradas para um lado, o mecanismo trava na catraca, e quando as pás são empurradas para o outro, ele gira, e assim a roda gira perpetuamente, criando uma espécie de movimento perpétuo. Isso ocorre porque a roda dentada é irreversível.

Mas, na verdade, precisamos analisar as coisas com mais detalhes. O funcionamento é o seguinte: quando a roda gira em um sentido, ela levanta a lingueta, que então se fecha contra o dente. Em seguida, ela ricocheteia e, se for perfeitamente elástica, continuará ricocheteando indefinidamente, permitindo que a roda gire no sentido oposto quando a lingueta ricochetear acidentalmente. Portanto, isso não funciona a menos que, ao descer, a lingueta trave, pare ou ricocheteie, interrompendo o funcionamento. Se ela ricocheteia e interrompe o funcionamento, deve haver o que chamamos de amortecimento ou atrito. Nesse movimento de queda, ricochete e parada, que é a única maneira de o sistema funcionar em um único sentido, o atrito gera calor, fazendo com que a roda esquente cada vez mais. No entanto, quando a roda começa a esquentar bastante, algo mais acontece. Assim como há movimento browniano, ou movimentos irregulares, no gás ao redor das pás, seja qual for o material de que essa roda e a lingueta são feitas, as partes que as compõem aquecem e começam a se mover de forma mais irregular. Chega um momento em que a roda fica tão quente que a lingueta simplesmente vibra devido aos movimentos moleculares dos componentes internos, oscilando para cima e para baixo na roda devido ao movimento molecular, o mesmo que fazia a pá girar. Ao oscilar para cima e para baixo na roda, ela sobe tanto quanto desce, e o dente pode se mover em qualquer direção. Não temos mais um dispositivo unidirecional. Na verdade, o dispositivo pode ser acionado para trás! Se a roda estiver quente e a pá estiver fria, a roda que você pensava que giraria apenas em um sentido girará no sentido oposto, porque cada vez que a lingueta desce, ela desce em um plano inclinado na roda dentada, empurrando-a para trás. Então, ele sobe novamente, desce em outro plano inclinado e assim por diante. Portanto, se a roda estiver mais quente que as pás, ela girará na direção errada.

O que isso tem a ver com a temperatura do gás ao redor das pás Suponha que não tivéssemos essa peça. Então, se a roda for empurrada para a frente pela lingueta caindo em um plano inclinado, a próxima coisa que acontecerá é que a lateral reta e vertical do dente ricocheteará contra a lingueta e a roda ricocheteará para trás. Para evitar que a roda ricocheteie, colocamos um amortecedor nela e pás no ar, para que ela seja desacelerada e não ricocheteie livremente. Então ela irá apenas em uma direção, mas na direção errada, e assim, independentemente de como você a projete, uma roda como essa irá em uma direção se um lado estiver mais quente e na direção oposta se o outro lado estiver mais quente. Mas depois que houver uma troca de calor entre os dois, e tudo se acalmar, de modo que a pá e a roda fiquem na mesma temperatura, ela não irá em nenhuma direção em média. Essa é a forma técnica pela qual os fenômenos da natureza seguirão um determinado caminho enquanto estiverem em desequilíbrio, enquanto um lado estiver mais calmo que o outro, ou um lado estiver mais azul que o outro.

A conservação de energia nos leva a crer que temos tanta energia quanto desejamos. A natureza nunca perde nem ganha energia. No entanto, a energia do mar, por exemplo, o movimento térmico de todos os átomos na água, é praticamente inacessível para nós. Para organizar essa energia, concentrá-la e torná-la disponível para uso, precisamos de uma diferença de temperatura; caso contrário, descobriremos que, embora a energia esteja lá, não podemos utilizá-la. Há uma grande diferença entre energia e disponibilidade de energia. A energia do mar é imensa, mas não está disponível para nós.

A conservação de energia significa que a energia total no mundo permanece constante. Mas, nas oscilações irregulares, essa energia pode se distribuir de forma tão uniforme que, em certas circunstâncias, não há como direcionar mais energia para um lado do que para o outro — não há mais como controlá-la.

Acho que, por meio de uma analogia, posso dar uma ideia da dificuldade. Não sei se você já teve a experiência — eu já — de estar sentado na praia com várias toalhas e, de repente, começar um aguaceiro torrencial. Você pega as toalhas o mais rápido possível e corre para o vestiário. Então, começa a se secar e percebe que a toalha está um pouco molhada, mas mais seca do que você. Continua se secando com ela até perceber que está molhada demais — molhando você tanto quanto secando — e experimenta outra; e logo descobre algo terrível: todas as toalhas estão úmidas, e você também. Não há como se secar mais, mesmo com várias toalhas, porque, de certa forma, não há diferença entre a umidade das toalhas e a umidade do seu corpo. Eu poderia inventar uma grandeza que chamaria de "facilidade de remoção de água". A toalha absorve a água com a mesma facilidade que você, então, quando você se toca com ela, a mesma quantidade de água que sai da toalha para você também sai de você para a toalha. Isso não significa que haja a mesma quantidade de água na toalha e em você — uma toalha grande terá mais água do que uma pequena —, mas ambas têm a mesma umidade. Quando a umidade se iguala, não há mais nada que você possa fazer.

Agora, a água é como a energia, porque a quantidade total de água não muda. (Se a porta do banheiro estiver aberta e você puder correr para o sol e se secar, ou encontrar outra toalha, então você está salvo, mas suponha que tudo esteja fechado e você não possa se livrar dessas toalhas nem pegar outras.) Da mesma forma, se você imaginar uma parte do mundo que está fechada e esperar tempo suficiente, nos acidentes do mundo, a energia, como a água, será distribuída uniformemente por todas as partes até que não reste nada de unidirecionalidade, nada do verdadeiro interesse do mundo como o experimentamos.

Assim, na situação de catraca, lingueta e palhetas, que é limitada e não envolve mais nada, as temperaturas gradualmente se igualam em ambos os lados, e a roda não gira em nenhum dos sentidos. Da mesma forma, se você deixar qualquer sistema parado por tempo suficiente, a energia se mistura completamente e não há mais energia disponível para realizar qualquer outra ação.

Aliás, aquilo que corresponde à umidade ou à "facilidade de remoção da água" chama-se temperatura, e embora eu diga que quando duas coisas estão à mesma temperatura, elas se equilibram, isso não significa que elas tenham a mesma energia; significa que é tão fácil retirar energia de uma quanto da outra. A temperatura é como a "facilidade de remoção de energia". Então, se você as colocar lado a lado, aparentemente nada acontece; elas trocam energia igualmente, mas o resultado final é nada. Assim, quando as coisas atingem a mesma temperatura, não há mais energia disponível para fazer nada. O princípio da irreversibilidade afirma que, se as coisas estiverem em temperaturas diferentes e forem deixadas em paz, com o passar do tempo elas se tornam cada vez mais semelhantes em temperatura, e a disponibilidade de energia diminui perpetuamente.

Este é outro nome para o que chamamos de lei da entropia, que afirma que a entropia está sempre aumentando. Mas, deixando as palavras de lado, a disponibilidade de energia está sempre diminuindo. E essa é uma característica do mundo, no sentido de que se deve ao caos dos movimentos irregulares das moléculas. Coisas com temperaturas diferentes, se deixadas em repouso, tendem a atingir a mesma temperatura. Se você tiver duas coisas na mesma temperatura, como água em um fogão comum sem fogo embaixo, a água não vai congelar e o fogão não vai esquentar. Mas se você tiver um fogão quente com gelo, acontece o contrário. Portanto, essa unidirecionalidade sempre leva à perda de disponibilidade de energia.

Isso é tudo o que quero dizer sobre o assunto, mas gostaria de fazer algumas observações sobre certas características. Aqui temos um exemplo em que um efeito óbvio, a irreversibilidade, não é uma consequência óbvia das leis, mas está, na verdade, bastante distante das leis fundamentais. É preciso muita análise para entender a razão disso. O efeito é de suma importância na economia mundial, no comportamento real do mundo em todas as coisas óbvias. Minha memória, minhas características, a diferença entre passado e futuro, estão completamente envolvidas nisso, e ainda assim a compreensão disso não está disponível à primeira vista apenas pelo conhecimento das leis. É preciso muita análise.

É comum que as leis da física não tenham uma relevância direta e óbvia para a experiência, mas que sejam abstratas em relação a ela em diferentes graus. Neste caso específico, o fato de as leis serem reversíveis, embora os fenômenos não o sejam, é um exemplo disso.

Frequentemente, existem grandes distâncias entre as leis detalhadas e os principais aspectos dos fenômenos reais. Por exemplo, se você observar uma geleira à distância e vir as grandes rochas caindo no mar, o movimento do gelo e assim por diante, não é realmente essencial lembrar que ela é composta de pequenos cristais de gelo hexagonais. No entanto, se compreendermos bem o movimento da geleira, veremos que ele é, na verdade, uma consequência da natureza desses cristais de gelo hexagonais. Mas leva bastante tempo para entender todo o comportamento da geleira (na verdade, ninguém ainda sabe o suficiente sobre o gelo, por mais que se tenha estudado o cristal). Contudo, a esperança é que, se entendermos o cristal de gelo, acabaremos por entender a geleira.

Na verdade, embora tenhamos falado nestas aulas sobre os fundamentos das leis da física, devo dizer imediatamente que o conhecimento de todas as leis fundamentais, como as conhecemos hoje, não garante imediatamente uma compreensão substancial de nada. Leva tempo, e mesmo assim, essa compreensão é apenas parcial. A natureza, de fato, parece ser estruturada de tal forma que as coisas mais importantes do mundo real aparentam ser uma espécie de resultado acidental e complexo de uma infinidade de leis.

Para dar um exemplo, os núcleos atômicos, que envolvem diversas partículas nucleares, prótons e nêutrons, são muito complexos. Eles possuem o que chamamos de níveis de energia, podendo estar em estados ou condições com diferentes valores de energia, e vários núcleos apresentam diferentes níveis de energia. Determinar a posição desses níveis de energia é um problema matemático complexo, que só conseguimos resolver parcialmente. A posição exata dos níveis é, obviamente, consequência de uma enorme complexidade, e, portanto, não há nenhum mistério no fato de o nitrogênio, com 15 partículas em seu interior, apresentar um nível de energia em 2,4 milhões de volts, outro em 7,1 milhões de volts e assim por diante. Mas o mais notável na natureza é que todo o universo, em sua essência, depende precisamente da posição de um nível específico em um núcleo específico. No núcleo de carbono- ¹² , por exemplo, existe um nível em 7,82 milhões de volts. E isso faz toda a diferença.

A situação é a seguinte. Se partirmos do hidrogênio, e parece que no início o mundo era praticamente todo composto de hidrogênio, então, à medida que o hidrogênio se aglomera sob a ação da gravidade e se aquece, reações nucleares podem ocorrer, formando hélio. O hélio, por sua vez, pode se combinar parcialmente com o hidrogênio, produzindo alguns outros elementos, um pouco mais pesados. Mas esses elementos mais pesados se desintegram imediatamente, voltando a ser hélio. Portanto, por um tempo, houve um grande mistério sobre a origem de todos os outros elementos do mundo, pois, partindo do hidrogênio, os processos de fusão dentro das estrelas não produziriam muito mais do que hélio e menos de meia dúzia de outros elementos. Diante desse problema, os professores Hoyle e Salpeter [Fred Hoyle, astrônomo britânico, Cambridge; Edwin Salpeter, físico americano, Universidade Cornell] propuseram uma solução. Se três átomos de hélio podem se unir para formar carbono, podemos calcular facilmente com que frequência isso deve ocorrer em uma estrela. E acontece que isso nunca deveria ocorrer, exceto por um possível acidente: se por acaso houvesse um nível de energia de 7,82 milhões de volts no carbono, os três átomos de hélio se uniriam e, antes de se separarem, permaneceriam juntos, em média, por um pouco mais de tempo do que permaneceriam se não houvesse esse nível de 7,82 milhões de volts. E, permanecendo ali por um pouco mais de tempo, haveria tempo suficiente para que algo mais acontecesse e outros elementos fossem formados. Se houvesse um nível de 7,82 milhões de volts no carbono, poderíamos entender a origem de todos os outros elementos da tabela periódica. Assim, por meio de um argumento indireto e paradoxal, previu-se a existência de um nível de 7,82 milhões de volts no carbono; e experimentos em laboratório comprovaram que ele de fato existe. Portanto, a existência de todos esses outros elementos no mundo está intimamente ligada ao fato de haver esse nível específico no carbono. Mas a posição desse nível específico no carbono nos parece, conhecendo as leis da física, um acidente muito complexo envolvendo a interação de 12 partículas complexas. Este exemplo ilustra de forma excelente o fato de que a compreensão das leis da física não proporciona necessariamente uma compreensão direta de aspectos significativos do mundo. Os detalhes da experiência real muitas vezes estão muito distantes das leis fundamentais.

Temos uma maneira de discutir o mundo quando falamos dele em várias hierarquias ou níveis. Não pretendo ser muito preciso, dividindo o mundo em níveis definidos, mas indicarei, descrevendo um conjunto de ideias, o que quero dizer com hierarquias de ideias. Por exemplo, em uma extremidade temos as leis fundamentais da física. Depois, inventamos outros termos para conceitos que são aproximados e que, acreditamos, têm sua explicação última em termos das leis fundamentais. Por exemplo, "calor". Supõe-se que o calor esteja vibrando, e a palavra para algo quente é apenas a palavra para uma massa de átomos que estão vibrando. Mas, por um tempo, se estivermos falando de calor, às vezes nos esquecemos dos átomos vibrando — assim como quando falamos da geleira, nem sempre pensamos no gelo hexagonal e nos flocos de neve que originalmente caíram. Outro exemplo disso é um cristal de sal. Visto fundamentalmente, ele é composto por muitos prótons, nêutrons e elétrons; Mas temos esse conceito de 'cristal de sal', que já carrega consigo todo um padrão de interações fundamentais. Uma ideia como a de pressão é semelhante.

Agora, se subirmos um degrau, em outro nível, temos propriedades das substâncias — como o 'índice de refração', que descreve como a luz se desvia ao atravessar algo; ou a 'tensão superficial', o fato de a água tender a se aglomerar, ambas descritas por números. Lembro que precisamos recorrer a diversas leis para descobrir que se trata da atração entre os átomos, e assim por diante. Mas ainda assim falamos em 'tensão superficial' e, ao discuti-la, nem sempre nos preocupamos com o seu funcionamento interno.

Subindo na hierarquia. Com a água, temos ondas e coisas como uma tempestade, a palavra "tempestade" que representa uma enorme massa de fenômenos, ou uma "mancha solar" ou "estrela", que é um acúmulo de coisas. E não vale a pena sempre pensar lá no início. Na verdade, não podemos, porque quanto mais subimos, mais degraus temos entre eles, cada um deles um pouco frágil. Ainda não os analisamos completamente.

À medida que subimos nessa hierarquia de complexidade, chegamos a coisas como a contração muscular ou o impulso nervoso, que são fenômenos extremamente complexos no mundo físico, envolvendo uma organização da matéria de uma complexidade elaborada. Depois vêm coisas como "sapo". E então prosseguimos, chegando a palavras e conceitos como "homem", "história" ou "conveniência política", e assim por diante, uma série de conceitos que usamos para compreender as coisas em um nível cada vez mais elevado.

E prosseguindo, chegamos a coisas como o mal, a beleza e a esperança...

Qual extremidade está mais próxima de Deus, se me permitem usar uma metáfora religiosa A beleza e a esperança, ou as leis fundamentais Creio que o caminho correto, naturalmente, é dizer que o que devemos observar é toda a interconexão estrutural da coisa; e que todas as ciências, e não apenas as ciências, mas todos os esforços intelectuais, são uma tentativa de enxergar as conexões das hierarquias, de conectar a beleza à história, a história à psicologia humana, a psicologia humana ao funcionamento do cérebro, o cérebro ao impulso neural, o impulso neural à química, e assim por diante, de cima para baixo, em ambas as direções. E hoje não podemos, e não adianta fingir que podemos, traçar cuidadosamente uma linha de uma extremidade a outra dessa coisa, porque apenas começamos a perceber que existe essa hierarquia relativa.

E não creio que qualquer uma das extremidades esteja mais próxima de Deus. Ficar em uma das extremidades e caminhar apenas para o outro lado do cais, esperando encontrar a compreensão completa nessa direção, é um erro. E ficar ao lado do mal, da beleza e da esperança, ou ao lado das leis fundamentais, esperando obter uma compreensão profunda do mundo inteiro apenas com esse aspecto, é um erro. Não faz sentido que aqueles que se especializam em uma extremidade e aqueles que se especializam na outra tenham tal desconsideração uns pelos outros. (Na verdade, não têm, mas dizem que sim.) A grande massa de trabalhadores intermediários, conectando um passo a outro, está aprimorando constantemente nossa compreensão do mundo, tanto trabalhando nas extremidades quanto no meio, e dessa forma estamos gradualmente compreendendo este imenso mundo de hierarquias interconectadas.

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Veja também Probabilidade e Incerteza - a Visão Quântica da Natureza