Стрела времени - Arrow of time

Стрела времени , называемая также стрелой времени , является концепцией полагания «односторонний направления» или « асимметрии » по времени . Он был разработан в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и является нерешенным общим физическим вопросом . Это направление, согласно Эддингтону, может быть определено путем изучения организации атомов , молекул и тел и может быть нарисовано на четырехмерной релятивистской карте мира («твердый блок бумаги»).

Считается, что физические процессы на микроскопическом уровне полностью или в основном симметричны во времени : если бы направление времени изменилось на противоположное, теоретические утверждения, описывающие их, остались бы верными. Однако на макроскопическом уровне часто кажется, что это не так: существует очевидное направление (или течение ) времени.

Обзор

Симметрию времени ( Т-симметрию ) можно понять просто следующим образом: если бы время было совершенно симметричным, видео реальных событий казалось бы реалистичным независимо от того, воспроизводится ли оно вперед или назад. Например, гравитация - это сила, обратимая во времени. Мяч, который подбрасывается, 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. По мере продвижения вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия увеличивается. Энтропия может быть одним из немногих процессов, которые необратимы во времени . Согласно статистическому представлению об увеличении энтропии, «стрела» времени отождествляется с уменьшением свободной энергии.

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

Концепция Эддингтона

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

Нарисуем стрелку произвольно. Если, следуя стрелке, мы обнаруживаем все больше и больше случайных элементов в состоянии мира, тогда стрелка указывает в будущее; если случайный элемент уменьшается, стрелка указывает в прошлое. Это единственное различие, известное физике . Это следует сразу же, если принять наше фундаментальное утверждение о том, что введение случайности - единственное, что нельзя отменить. Я буду использовать фразу «стрела времени», чтобы выразить это однонаправленное свойство времени, не имеющее аналогов в пространстве.

Затем Эддингтон отмечает три момента, касающихся этой стрелки:

Это отчетливо распознается сознанием .
Это также настаивает на нашей способности рассуждать, которая говорит нам, что поворот стрелки сделает внешний мир бессмысленным.
В физической науке он не проявляется, кроме как при изучении организации ряда людей. (Под этим он подразумевает, что это наблюдается только в энтропии, феномене статистической механики, возникающем из системы.)

Согласно Эддингтону, стрелка указывает направление постепенного увеличения случайного элемента. После продолжительного спора о природе термодинамики он приходит к выводу, что с точки зрения физики стрела времени является свойством только энтропии .

Стрелки

Термодинамическая стрела времени

Стрелка 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 того, как система продвигается 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. Также в открытой системе энтропия может уменьшаться со временем.

Британский физик сэр Альфред Брайан Пиппард писал: «Таким образом, нет никаких оснований для часто повторяемого взгляда, что Второй закон термодинамики истинен только статистически, в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не имеют серьезных нарушений. 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 , один из которых связан с теоремой Пуанкаре о возвращении .

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

В книге Гарольда Блюма 1951 года «Стрела времени и эволюция » «исследована 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

Космологическая стрела времени точек в направлении расширения Вселенной. Это может быть связано с термодинамической стрелой, когда Вселенная движется к тепловой смерти (Большой Холод), поскольку количество полезной энергии становится незначительным. В качестве альтернативы, это может быть артефакт нашего места в эволюции Вселенной (см. Антропный уклон ), когда эта стрелка поворачивается вспять, поскольку гравитация втягивает все обратно в Большой хруст .

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

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

Радиационная стрела времени

Волны, от радиоволн до звуковых волн и волн в пруду от бросания камня, расширяются наружу от своего источника, хотя волновые уравнения учитывают решения как сходящихся, так и радиационных волн. Эта стрелка была перевернута в тщательно проработанных экспериментах, которые создавали сходящиеся волны, поэтому 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 для начальных условий, которые создают сходящуюся волну, намного ниже, чем вероятность для начальных условий, которые создают радиационную волну. Фактически, обычно излучательная волна увеличивает энтропию, а сходящаяся волна уменьшает ее, что противоречит второму закону термодинамики в обычных обстоятельствах.

Причинная стрела времени

Причина предшествует эффект: причинное событие происходит перед событием он вызывает или влияет. Например, рождение следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.

Эпистемологическая проблема с использованием причинно - следственной связи , как стрела времени является то , что, как и Дэвид Юм сохраняется, причинная связь сама по себе не может быть воспринята; воспринимается 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. Тем не менее, кажется очевидным, что падение чашки с водой является причиной, тогда как чашка впоследствии разбивается и проливается вода.

Говоря физически, считается, что корреляция между системой и ее окружением увеличивается с увеличением энтропии, и было показано, что корреляция ей эквивалентна 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 того, как мы движемся вперед во времени, а не назад. Управление будущим или побуждение к чему-либо создает корреляции между деятелем и следствием, и поэтому связь между причиной и следствием является результатом термодинамической стрелы времени, следствием второго закона термодинамики. Действительно, в приведенном выше примере падения чашки начальные условия имеют высокий порядок и низкую энтропию, в то время как конечное состояние имеет высокие корреляции между относительно удаленными частями системы - разбитыми частями чашки, а также пролитыми каплями воды. вода и предмет, из-за которого чашка упала.

Физика элементарных частиц (слабая) стрела времени

Некоторые субатомные взаимодействия с участием слабого ядерного взаимодействия нарушают сохранение как четности, так и зарядового сопряжения , но очень редко. Примером может служить распад каона . Согласно теореме CPT , это означает, что они также должны быть необратимыми во времени и, таким образом, устанавливать стрелу времени. Такие процессы должны нести ответственность за создание материи в ранней Вселенной.

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

Квантовая стрела времени

Квантовая эволюция определяются уравнениями движения, которые по времени симметрично (например, уравнение Шредингера в нерелятивистском приближении), и коллапс волновой функции , которая представляет собой необратимый процесс времени и является либо реальным (по копенгагенской интерпретации в квантовом механика ) или очевидная только (по интерпретации многомировых и реляционной квантовой механика интерпретации).

Теория квантовой декогеренции объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично во времени 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 этих двух систем сначала упорядоченно связаны, но последующие взаимодействия (с дополнительными частицами или системами) уменьшают их, 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 по второму закону термодинамики. На языке реляционной квантовой механики наблюдатель запутывается в измеряемом состоянии, где эта запутанность увеличивает энтропию. Как заявил Сет Ллойд , «стрела времени - это стрела возрастающих корреляций».

Однако при особых обстоятельствах можно подготовить начальные условия, которые вызовут уменьшение декогеренции и энтропии. Это было экспериментально показано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила об обращении квантовой стрелки времени на квантовом компьютере IBM в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как выходящей из термодинамической.

Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а затем трех сверхпроводящих кубитов , они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер вернулся в исходное состояние. Смена состояния производилась специальной программой, аналогично случайной флуктуации микроволнового фона в случае электрона . Однако, по оценкам, на протяжении всего возраста Вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона происходило бы только один раз, за 0,06 наносекунды . Эксперимент ученых привел к возможности квантового алгоритма, который меняет заданное квантовое состояние на противоположное посредством комплексного сопряжения .

Обратите внимание, что квантовая декогеренция просто допускает процесс коллапса квантовой волны; является предметом спора, имеет ли место само обрушение на самом деле или он является лишь избыточным и очевидным. Однако, поскольку теория квантовой декогеренции в настоящее время широко принята и подтверждена экспериментально, этот спор больше нельзя рассматривать как связанный с вопросом о стрелке времени.

Психологическая / перцептивная стрела времени

Связанная ментальная стрела возникает, потому что у человека есть ощущение, что его восприятие - это непрерывное движение от известного прошлого к неизвестному будущему. Это явление имеет два аспекта: Память - мы помним прошлое, а не будущее; и воля - мы чувствуем, что можем влиять на будущее, но не на прошлое. Эти два аспекта является следствие причинного стрелка времени: события прошлого (но не будущие события) являются причиной наших нынешних воспоминаний, так как формируется все больше и больше корреляции между внешним миром и нашим мозгом (см корреляции и стрелкой время ); а наши настоящие воли и действия являются причинами будущих событий. Это связано с тем, что увеличение энтропии, как полагают, связано с увеличением как корреляций между системой и ее окружением, так и общей сложности, при соответствующем определении, 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 встречи с вами», «оглядываться в старые добрые времена» или « быть на годы впереди ". Однако эта ассоциация «позади прошлого» и «впереди будущего» определяется культурой. Например, язык аймара связывает «впереди прошлое» и «позади ⇔ будущее» как в терминах терминологии, так и в терминах жестов, соответствующих наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему. Точно так же китайский термин «послезавтра» 後天 («hòutiān») буквально означает «после (или после) дня», тогда как «позавчера» 前天 («qiántiān») буквально означает «предшествующий (или передний) ) day », и говорящие по-китайски спонтанно указывают вперед, указывая на прошлое, и позади, на будущее, хотя есть противоречивые выводы о том, воспринимают ли они эго как впереди или позади прошлого. Не существует языков, в которых прошлое и будущее располагаются по оси слева направо (например, в английском языке нет выражения, такого как * собрание было перемещено влево ), хотя, по крайней мере, носители английского языка связывают прошлое с левым и левым. будущее с правильным.

Слова «вчера» и «завтра» на хинди переводятся как одно и то же : कल («кал»), что означает «[один] день, удаленный от сегодняшнего». Неоднозначность разрешается глагольным временем. परसों («parsoⁿ») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «два дня от сегодняшнего дня».

तरसों («тарсон») используется для обозначения «три дня от сегодняшнего дня [1], а नरसों (« нарсон ») используется для« четырех дней с сегодняшнего дня ».

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

Движущийся палец пишет; и, имея приказ,
движется дальше: ни все твое благочестие, ни остроумие.
Соблазнишь его обратно, чтобы отменить половину строки,
И все твои слезы не смывают это Слово.

- Омар Хайям (перевод Эдварда Фицджеральда ).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Лебовиц, Джоэл Л. (2008). «Стрела времени и энтропия Больцмана» . Scholarpedia . 3 (4): 3448. Bibcode : 2008SchpJ ... 3.3448L . DOI : 10,4249 / scholarpedia.3448 .
Больцман, Людвиг (1964). Лекции по теории газа . Калифорнийский университет Press.Перевод с немецкого оригинала Стивеном Г. Брашем. Первоначально опубликовано 1896/1898 гг.
Кэрролл, Шон (2010). Из вечности сюда: поиски окончательной теории времени . Даттон. Веб-сайт
Ковени, Питер ; Хайфилд, Роджер (1990), Стрела времени: путешествие через науку, чтобы разгадать величайшую тайну времени , Лондон: WH Allen, Bibcode : 1990atvt.book ..... C , ISBN 978-1-85227-197-8
Фейнман, Ричард (1965). Характер физического закона . Публикации BBC. Глава 5.
Холливелл, JJ; и другие. (1994). Физические истоки асимметрии времени . Кембридж. ISBN 978-0-521-56837-1. (технический).
Мерсини-Хоутон, Л., Ваас, Р. (ред.) (2012) Стрелы времени. Дискуссия в космологии . Springer. 2012-06-22. ISBN 978-3-642-23258-9. (частично технический).
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.
Цена, Хью (1996). Стрела времени и точка Архимеда . ISBN 978-0-19-510095-2. Веб-сайт
Zeh, H.D (2010). Физическая основа направления времени . 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 развития квантовой теории поля .
Термодинамическая стрела: головоломки и псевдопазлы Хью Прайс на стрелке времени
Стрелка времени в дискретной игрушечной модели
Стрела времени
Почему время бежит только вперед , Адам Беккер , bbc.com.

Languages

In other projects