Стрела времени

Чтобы узнать о других значениях, см. Стрела времени (значения) .

Эта статья представляет собой обзор предмета. Более техническое обсуждение и информацию, связанную с текущими исследованиями, см. в разделе «Энтропия (стрела времени)» .

«Стрела времени» перенаправляется сюда. Информацию о саундтреке к фильму «Замедленная съемка будущего» см. в разделе « Замедленная съемка будущего § Саундтрек» .

Сэр Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944)

Стрела времени , также называемая стрелой времени , — это концепция, постулирующая «одностороннее направление» или « асимметрию » времени . Он был разработан в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и представляет собой нерешенный вопрос общей физики . Это направление, по Эддингтону, можно было бы определить, изучая организацию атомов , молекул и тел , и можно было бы нарисовать на четырехмерной релятивистской карте мира («сплошной блок бумаги»).

Стрела парадокса времени была первоначально признана в 1800-х годах для газов (и других веществ) как несоответствие между микроскопическим и макроскопическим описанием термодинамики / статистической физики : на микроскопическом уровне считается, что физические процессы либо полностью, либо в основном симметричны во времени : если бы направление времени изменилось, теоретические утверждения, которые их описывают, остались бы верными. Однако на макроскопическом уровне часто оказывается, что это не так: существует очевидное направление (или течение ) времени.

Обзор

Симметрию времени ( Т-симметрию ) можно понимать просто следующим образом: если бы время было совершенно симметричным, видео реальных событий выглядело бы реалистичным, независимо от того, воспроизводится ли оно вперед или назад. Гравитация , например, является обратимой во времени силой. Мяч, который подбрасывают вверх, замедляется до остановки и падает, — это тот случай, когда записи будут выглядеть одинаково реалистично как вперед, так и назад. Система Т-симметрична. Однако процесс отскока мяча и его остановки необратим во времени. При движении вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия увеличивается. Энтропия может быть одним из немногих процессов, которые не обратимы во времени . Согласно статистическому представлению о возрастании энтропии, «стрела» времени отождествляется с уменьшением свободной энергии.

В своей книге «Большая картина» физик Шон М. Кэрролл сравнивает асимметрию времени с асимметрией пространства: «Хотя физические законы в целом изотропны , вблизи Земли существует очевидное различие между «верхом» и «низом» из-за близости этому огромному телу, нарушающему симметрию пространства. Точно так же физические законы в целом симметричны изменению направления времени, но вблизи Большого взрыва (т. е. в первые триллионы лет после него ) существует очевидное различие между «вперед» и «назад» во времени. из-за относительной близости к этому особому событию, нарушающему симметрию времени. Согласно этой точке зрения, все стрелы времени являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых обстоятельств, существовавших тогда. (Строго говоря, слабые взаимодействия асимметричны как пространственному отражению, так и изменению направления времени. Однако они подчиняются более сложной симметрии , включающей и то, и другое.)

Эддингтона

В книге 1928 года «Природа физического мира» , которая помогла популяризировать эту концепцию, Эддингтон заявил:

Нарисуем стрелку произвольно. Если, следуя за стрелкой, мы обнаруживаем все больше и больше случайных элементов в состоянии мира, то стрелка указывает в будущее; если случайный элемент уменьшается, стрелка указывает в прошлое. Это единственное различие, известное физике . Это сразу же вытекает, если признать наше фундаментальное утверждение, что введение случайности — единственное, чего нельзя отменить. Я буду использовать фразу «стрела времени», чтобы выразить это одностороннее свойство времени, не имеющее аналогов в пространстве.

Затем Эддингтон обращает внимание на три момента в отношении этой стрелки:

1. Это ярко осознается сознанием .
2. На этом же настаивает и наша способность рассуждать , которая говорит нам, что поворот стрелки сделал бы внешний мир бессмысленным.
3. она не проявляется, В физической науке за исключением изучения организации ряда индивидуумов. (Другими словами, это наблюдается только в энтропии — статистической механики, явлении возникающем в системе .)

Стрелки

времени

Основная статья: Восприятие времени

Соответствующая мысленная стрела возникает потому, что у человека возникает ощущение, что его восприятие представляет собой непрерывное движение от известного прошлого к неизвестному будущему. У этого явления есть два аспекта: память (мы помним прошлое, но не будущее) и воля (мы чувствуем, что можем влиять на будущее, но не на прошлое). Эти два аспекта являются следствием причинной стрелы времени: прошлые события (но не будущие события) являются причиной наших нынешних воспоминаний, поскольку между внешним миром и нашим мозгом образуется все больше и больше корреляций (см. корреляции и стрелу времени). время ); и наши нынешние намерения и действия являются причинами будущих событий. Это связано с тем, что считается, что увеличение энтропии связано с увеличением обеих корреляций между системой и ее окружением. и общей сложности согласно соответствующему определению; таким образом, все увеличивается вместе со временем.

Прошлое и будущее также психологически связаны с дополнительными понятиями. Английский , как и другие языки, имеет тенденцию ассоциировать прошлое с «позади», а будущее с «впереди», с такими выражениями, как «с нетерпением жду возможности приветствовать вас», «оглянуться назад в старые добрые времена» или « быть на годы вперед». Однако эта ассоциация «за ⇔ прошлого» и «впереди ⇔ будущего» культурно детерминирована. Например, язык аймара ассоциирует «впереди ⇔ прошлое» и «позади ⇔ будущее» как с точки зрения терминологии, так и с точки зрения жестов, что соответствует наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему. Точно так же китайский термин «послезавтра» 後天 («хоутиан») буквально означает «после (или позади) дня», тогда как «позавчера» 前天 («цяньтянь») буквально означает «предшествующий (или перед) день». ) день», а говорящие на китайском языке спонтанно жестикулируют вперед, показывая прошлое, и позади, показывая будущее, хотя существуют противоречивые данные о том, воспринимают ли они эго как находящееся впереди или позади прошлого. Не существует языков, в которых прошлое и будущее располагались бы на оси лево-право (например, в английском языке нет такого выражения, как *встреча была перенесена влево ), хотя носители английского языка, по крайней мере, связывают прошлое с левым и правым. будущее с правом.

Слова «вчера» и «завтра» на хинди переводятся одним и тем же словом : कल («кал»), что означает «[один] день, далекий от сегодняшнего дня». Неоднозначность разрешается с помощью времени глагола. परसों («парсон») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «через два дня».

तरसों («тарсон») используется для обозначения «три дня начиная с сегодняшнего дня». а नरसों («нарсон») используется для обозначения «четыре дня начиная с сегодняшнего дня».

Другая сторона психологического течения времени находится в сфере воли и действия. Мы планируем и часто выполняем действия, призванные повлиять на ход событий в будущем. Из Рубаи :

«Двигающийся палец» пишет; и, написав,
Идет дальше: ни все твое благочестие, ни остроумие.
Заманю его обратно, чтобы отменить половину линии,
И все твои слезы не смывают ни единого слова этого.

— Омар Хайям (перевод Эдварда Фицджеральда ).

В июне 2022 года исследователи сообщили в Physical Review Letters обнаружил, что саламандры демонстрировали нелогичную реакцию на стрелу времени в том, как их глаза воспринимали различные стимулы.

Термодинамическая стрела времени

Основная статья: Энтропия как стрела времени

Стрела времени — это «одностороннее направление» или «асимметрия» времени. Термодинамическая стрела времени обеспечивается вторым законом термодинамики , который гласит, что в изолированной системе энтропия имеет тенденцию увеличиваться со временем. Энтропию можно рассматривать как меру микроскопического беспорядка; таким образом, второй закон подразумевает, что время асимметрично относительно степени порядка в изолированной системе: по мере развития системы во времени она становится более статистически неупорядоченной. Эту асимметрию можно использовать эмпирически, чтобы различать будущее и прошлое, хотя измерение энтропии не позволяет точно измерить время. Кроме того, в открытой системе энтропия может со временем уменьшаться.

Британский физик сэр Альфред Брайан Пиппард писал: «Таким образом, нет оправдания часто повторяемому мнению, что Второй закон термодинамики верен только статистически, в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не являются нарушениями какой-либо серьезной величины. Напротив, никогда не было представлено никаких доказательств того, что Второй Закон нарушается ни при каких обстоятельствах». Однако существует ряд парадоксов относительно нарушения второго закона термодинамики , одно из них связано с теоремой Пуанкаре о возврате .

Эта стрела времени, по-видимому, связана со всеми другими стрелами времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабой стрелы времени .

Гарольда Блюма « Книга Стрела времени и эволюция» 1951 года. обсуждает «взаимосвязь между стрелой времени (вторым законом термодинамики) и органической эволюцией ». Этот влиятельный текст исследует « необратимость и направление эволюции и порядка, негэнтропию и эволюцию ». Блюм утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами.

Космологическая стрела времени

См. также: Энтропия , Энтропия как стрела времени и Гипотеза прошлого.

Космологическая стрела времени указывает в направлении расширения Вселенной. Это может быть связано с термодинамической стрелой , когда Вселенная движется к тепловой смерти (большому похолоданию), поскольку количество термодинамической свободной энергии становится незначительным. Альтернативно, это может быть артефактом нашего места в эволюции Вселенной (см. Антропный уклон ), когда эта стрелка меняет направление, когда гравитация тянет все обратно в Большое Сжатие .

Если эта стрела времени связана с другими стрелами времени, то будущее по определению является направлением, в котором Вселенная становится больше. Таким образом, Вселенная по определению расширяется, а не сжимается.

Считается, что термодинамическая стрела времени и второй закон термодинамики являются следствием начальных условий ранней Вселенной. Следовательно, они в конечном итоге являются результатом космологической установки.

Радиационная стрела времени

Волны, от радиоволн до звуковых волн и волн , возникающих в пруду от бросания камня, распространяются наружу от своего источника, даже несмотря на то, что волновые уравнения включают в себя решения как сходящихся волн, так и радиационных. Эта стрелка была перевернута в тщательно разработанных экспериментах, в результате которых были созданы сходящиеся волны. так что эта стрелка, вероятно, следует из термодинамической стрелки в том смысле, что выполнение условий для создания сходящейся волны требует большего порядка, чем условия для радиационной волны. Иными словами, вероятность начальных условий, порождающих сходящую волну, намного ниже, чем вероятность начальных условий, порождающих радиационную волну. Фактически, обычно излучательная волна увеличивает энтропию, а сходящаяся волна ее уменьшает. делая последнее противоречащим второму началу термодинамики в обычных обстоятельствах.

Причинная стрела времени

Причина . предшествует следствию: причинное событие происходит раньше события, которое оно вызывает или на которое оно влияет Например, рождение следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.

Эпистемологическая утверждал проблема с использованием причинности как стрелы времени заключается в том, что, как Дэвид Юм , причинное отношение как таковое не может быть воспринято; человек воспринимает только последовательность событий. Более того, на удивление сложно дать четкое объяснение того, что на самом деле означают термины причина и следствие, или определить события, к которым они относятся. Однако кажется очевидным, что падение чашки с водой является причиной, а последующее разбивание чашки и проливание воды — следствием.

С физической точки зрения считается, что корреляции между системой и ее окружением увеличиваются с увеличением энтропии, и было показано, что они эквивалентны этому в упрощенном случае конечной системы, взаимодействующей с окружающей средой. Предположение о низкой начальной энтропии действительно эквивалентно предположению об отсутствии начальных корреляций в системе; таким образом, корреляции могут создаваться только по мере продвижения во времени вперед, а не назад. Управление будущим или создание чего-то, что происходит, создает корреляции между деятелем и эффектом. и поэтому связь между причиной и следствием является результатом термодинамической стрелы времени, следствием второго закона термодинамики. Действительно, в приведенном выше примере с падением чашки начальные условия имеют высокий порядок и низкую энтропию, а конечное состояние имеет высокую корреляцию между относительно удаленными частями системы – разбитыми чашками, а также пролитой водой. и предмет, из-за которого чашка упала.

Квантовая стрела времени

Квантовая эволюция определяется уравнениями движения, симметричными во времени (такими как уравнение Шредингера в нерелятивистском приближении), а также коллапсом волновой функции , который является необратимым во времени процессом и либо реален (согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики ) или только кажущиеся (в рамках многомировой интерпретации и интерпретации реляционной квантовой механики ).

Теория квантовой декогеренции объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметричным во времени образом из-за второго закона термодинамики, таким образом выводя квантовую стрелу времени из термодинамической стрелы времени . По сути, после любого рассеяния частиц или взаимодействия между двумя более крупными системами относительные фазы двух систем сначала упорядоченно связаны, но последующие взаимодействия (с дополнительными частицами или системами) делают их менее связанными, так что две системы становятся декогерентными. Таким образом, декогеренция — это форма увеличения микроскопического беспорядка. Короче говоря, декогеренция увеличивает энтропию. Две декогерентные системы больше не могут взаимодействовать посредством квантовой суперпозиции , если они снова не станут когерентными, что обычно невозможно, согласно второму началу термодинамики. На языке реляционной квантовой механики наблюдатель запутывается в измеряемом состоянии, причем эта запутанность увеличивает энтропию. Как заявил Сет Ллойд , «стрела времени — это стрела возрастающих корреляций».

Однако при особых обстоятельствах можно подготовить начальные условия, которые приведут к уменьшению декогеренции и энтропии. Это было показано экспериментально в 2019 году, когда группа российских учёных сообщила об обращении квантовой стрелы времени на IBM квантовом компьютере , в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как возникающей из термодинамической. Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а позже и трех сверхпроводящих кубитов , они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер возвращался в исходное состояние. Обращение состояния производилось специальной программой, аналогично случайному колебанию микроволнового фона в случае электрона . Однако, по оценкам, за весь возраст Вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона произошло бы только один раз, за ​​0,06 наносекунды . Эксперимент ученых привел к возможности создания квантового алгоритма , который обращает заданное квантовое состояние посредством комплексного сопряжения состояния.

Обратите внимание, что квантовая декогеренция просто допускает процесс коллапса квантовой волны; Спорным остается вопрос о том, действительно ли происходит сам коллапс или он является лишь излишним и кажущимся. Однако, поскольку теория квантовой декогеренции в настоящее время получила широкое признание и получила экспериментальное подтверждение, этот спор больше нельзя рассматривать как связанный с вопросом о стреле времени.

Физика элементарных частиц (слабая) стрела времени

Основная статья: Нарушение CP

Определенные субатомные взаимодействия, включающие слабое ядерное взаимодействие, нарушают сохранение как четности , так и зарядового сопряжения , но лишь очень редко. Примером может служить каона распад . Согласно теореме CPT , это означает, что они также должны быть необратимыми во времени и, таким образом, устанавливать стрелу времени. Такие процессы должны быть ответственны за создание материи в ранней Вселенной.

То, что комбинация четности и зарядового сопряжения нарушается так редко, означает, что эта стрелка «едва» указывает только в одном направлении, что отличает ее от других стрелок, направление которых гораздо более очевидно. Эта стрела не была связана с каким-либо крупномасштабным временным поведением до работы Джоан Ваккаро , которая показала, что нарушение T может быть ответственным за законы сохранения и динамику.

См. также

• Краткая история времени
• Антропный принцип
• Илья Пригожин
• Парадокс Лошмидта
• Демон Максвелла
• Так же, как Зенон
• Рождественские лекции Королевского института, 1999 г.
• Самайя
• Эволюция времени
• Обработка сигнала с обращением времени
• Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана

Дальнейшее чтение

• Лебовиц, Джоэл Л. (2008). «Стрела времени и энтропия Больцмана» . Схоларпедия . 3 (4): 3448. Бибкод : 2008SchpJ...3.3448L . дои : 10.4249/scholarpedia.3448 .
• Больцманн, Людвиг (1964). Лекции по теории газа . Издательство Калифорнийского университета. Перевод с немецкого оригинала Стивена Г. Браша. Первоначально опубликовано в 1896/1898 году.
• Кэрролл, Шон (2010). От вечности сюда: В поисках окончательной теории времени . Даттон. Веб-сайт .
• Ковени, Питер ; Хайфилд, Роджер (1990), Стрела времени: путешествие через науку для разгадки величайшей тайны времени , Лондон: WH Allen, Bibcode : 1990atvt.book.....C , ISBN  978-1-85227-197-8 .
• Фейнман, Ричард (1965). Характер физического закона . Публикации Би-би-си. Глава 5.
• Холливелл, Джей-Джей; и другие. (1994). Физические причины асимметрии времени . Кембридж. ISBN  978-0-521-56837-1 . (технический).
• Мерсини-Хоутон Л., Ваас Р. (ред.) (2012). Стрелы времени. Дебаты по космологии . Спрингер. 22 июня 2012 г. ISBN  978-3-642-23258-9 . (частично техническое).
• Пайерлс, Р. (1979). Сюрпризы в теоретической физике . Принстон. Раздел 3.8.
• Пенроуз, Роджер (1989). Новый разум императора . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-851973-7 . Глава 7.
• Пенроуз, Роджер (2004). Дорога к реальности . Джонатан Кейп. ISBN  978-0-224-04447-9 . Глава 27.
• Прайс, Хью (1996). Стрела времени и точка Архимеда . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-510095-2 . Веб-сайт .
• Зех, HD (2010). Физическая основа направления времени . Спрингер. ISBN  978-3-540-42081-1 . Официальный сайт книги .
• «Эксперимент BaBar подтверждает асимметрию времени» .

Внешние ссылки

• Соглашение Ритца-Эйнштейна о несогласии , обзор исторических перспектив предмета до появления квантовой теории поля .
• Термодинамическая стрела: загадки и псевдоголоволомки Хью Прайс о «Стреле времени»
• Стрела времени в дискретной игрушечной модели
• Стрела времени
• Почему время бежит только вперед , Адам Беккер , bbc.com