Войти
Сэр Артур Стэнли Эддингтон стрелка времени, также называемая стрелкой времени, это концепция, постулирующая «одностороннее направление» или «асимметрию» времени. Он был разработан в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и является нерешенным общим физическим вопросом. Это направление, согласно Эддингтону, могло быть определено путем изучения организации атомов, молекул и тел, и его можно было бы нарисовать на четырехмерной релятивистской карта мира («сплошной блок бумаги»).
Считается, что физические процессы на микроскопическом уровне полностью или в основном симметричны во времени : если бы время повернулось вспять, описывающие их теоретические утверждения остались бы верными. Однако на макроскопическом уровне часто оказывается, что это не так: существует очевидное направление (или течение) времени.
Симметрия времени (Т-симметрия ) может быть понята просто как следующее: если бы время было абсолютно симметричным, видео реальных событий Казалось бы, реалистично, если играть вперед или назад. Гравитация, например, - 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, в конечном итоге, его остановки необратим во времени. При движении вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия увеличивается. Энтропия может быть одним из немногих процессов, необратимых во времени. Согласно статистическому понятию увеличения энтропии, «стрела» времени отождествляется с уменьшением свободной энергии.
В книге «Природа физического мира» 1928 г. что помогло популяризировать эту концепцию, Эддингтон заявил:
Давайте 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 основное утверждение, 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:
Согласно Эддингтону, стрелка указывает направление постепенного увеличения случайного элемента. После продолжительного спора о природе термодинамики он приходит к выводу, что с точки зрения физики стрелка времени является свойством энтропии.
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 по отношению к 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 микроскопический нарушения происходят неоднократно, но никогда не допускаются нарушения каких-либо серьезных масштабов. 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 остальными стрелками. времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабой стрелы времени.
книги Гарольда Блюма 1951 года «Стрела времени и эволюция», «исследовавшей взаимосвязь между стрелой времени (второй закон термодинамики).) и органическая эволюция ". 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 указывает на направление 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 переворачивается, поскольку гравитация тянет все назад в Большой хруст.
Если эта стрела время связано с другими стрелами времени, тогда будущее по определению является направлением, в котором Вселенная становится больше. Таким образом, Вселенная расширяется, а не сжимается по определению.
Термодинамическая стрела времени и второй закон термодинамики считаются следствием начальных условий в ранней Вселенной. Следовательно, они в конечном итоге являются результатом космологической установки.
Волны, от радиоволн до звуковых волн до тех, кто находится в пруду от броска камня, расширяются наружу от их источник, даже несмотря на то, что волновые уравнения учитывают решения как сходящихся волн, так и радиационных. Эта стрелка была перевернута в тщательно проработанных экспериментах, в которых создавались 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 при обычных обстоятельствах.
A причина предшествует своему следствию: причинное событие происходит до события, которое оно вызывает или влияет. Например, рождение следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.
эпистемологическая проблема использования причинности в качестве стрелы времени состоит в том, что, как утверждал Дэвид Хьюм, 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 чаша впоследствии разбивается и проливается вода.
С физической точки зрения, восприятие причины и следствия в примере с упавшей чашкой - это явление термодинамической стрелки времени, следствие второго закона термодинамики. Управление будущим или создание чего-то, что должно произойти, создает корреляцию между исполнителем и эффектом, и они могут быть созданы только по мере того, как мы движемся вперед во времени, а не назад.
Определенные субатомные взаимодействия с участием слабого ядерного взаимодействия нарушают сохранение как четности, так и зарядовое сопряжение, но очень редко. Примером может служить распад каон . 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 паритета и зарядового сопряжения нарушается так редко, означает, что эта стрелка только «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 эволюция регулируется уравнениями движения, которые являются симметричными во времени (такими как уравнение Шредингера в нерелятивистском приближении) и коллапсом волновой функции, который является необратимым во времени процессом, и он либо реален (согласно копенгагенской интерпретации из квантовой механики ), либо только очевиден (согласно интерпретации многих миров и Реляционная квантовая механика интерпретация).
Теория квантовой декогеренции объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично во времени из-за второго закона термодинамики, таким образом выводя квантовую стрелу времени из термодинамики стрела времени. По сути, после любого рассеяния частиц или взаимодействия между двумя более крупными системами относительные фазы двух систем сначала связаны между собой по порядку, но последующие взаимодействия (с дополнительными частицами или системами) приводят к их меньше, 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 в соответствии со вторым законом 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 в энтропии. Это было экспериментально продемонстрировано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила об обращении квантовой стрелки времени на IBM квантовый компьютер в эксперименте, подтверждающем понимание квантового стрелка времени как выходящая из термодинамической.
Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а позднее 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, согласно оценкам, на протяжении возраста Вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона произойдет только один раз, за 0,06 наносекунды. Эксперимент ученых привел к возможности квантового алгоритма, который меняет заданное квантовое состояние на комплексное сопряжение.
. Обратите внимание, что квантовая декогеренция просто допускает процесс квантовой волны. коллапс; 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 не может рассматриваться как связанный с вопросом о стреле 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 являются следствием причинной стрелы времени: прошлые события (но не будущие события) являются причиной наших нынешних воспоминаний, поскольку между внешним миром и нашим мозгом формируется все больше и больше корреляций (см. корреляции и стрела времени ); а наши настоящие воли и действия являются причинами будущих событий.
Прошлое и будущее также психологически связаны с дополнительными понятиями. Английский, наряду с другими языками, имеет тенденцию ассоциировать прошлое с «позади», а будущее с «впереди», с такими выражениями, как «с нетерпением жду встречи с вами», «оглядываться на хорошее. старые 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 с точки зрения терминологии, так и жестов, соответствующих наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему. Аналогичным образом китайский термин для «послезавтра» 後天 («hòutiān») буквально означает «послезавтра», тогда как «позавчера» 前天 («qiántiān») буквально означает «послезавтра». «предшествующий (или передний) день», и говорящие по-китайски спонтанно указывают вперед в отношении прошлого и позади в отношении будущего, хотя есть противоречивые выводы о том, воспринимают ли они эго как впереди или позади прошлого. Не существует языков, которые помещают прошлое и будущее на 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 будущее с правым.
Слова «вчера» и «завтра» на хинди переводятся как одно и то же слово: कल («кал»), что означает «[один] день, удаленный от Cегодня." Неоднозначность разрешается глагольным временем. परसों («parsoⁿ») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «два дня от сегодняшнего дня». नरसों («нарсоⁿ») используется для обозначения «три дня от 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,. не двинется дальше: ни все твое благочестие, ни остроумие.. не соблазнит его обратно, чтобы отменить половину строки,. ни все твои слезы не смывают его ни слова.
— Омар Хайям (перевод Эдвард Фицджеральд ).
