Стрела времени , также называемая стрелой времени , — это концепция, постулирующая «одностороннее направление» или « асимметрию » времени . Она была разработана в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и является нерешенным вопросом общей физики . Это направление, по мнению Эддингтона, может быть определено путем изучения организации атомов , молекул и тел и может быть нарисовано на четырехмерной релятивистской карте мира («сплошной лист бумаги»). [1]
Парадокс стрелы времени был первоначально признан в 1800-х годах для газов (и других веществ) как несоответствие между микроскопическим и макроскопическим описанием термодинамики / статистической физики : на микроскопическом уровне физические процессы считаются либо полностью, либо в основном симметричными относительно 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.
Симметрию времени ( Т-симметрию ) можно просто понять следующим образом: если бы время было идеально симметричным, видео реальных событий казалось бы реалистичным, независимо от того, воспроизводится ли оно вперед или назад. [2] Гравитация , например, является обратимой во времени силой. Мяч, который подбрасывается, замедляется до остановки и падает, является случаем, когда записи будут выглядеть одинаково реалистично как вперед, так и назад. Система является Т-симметричной. Однако процесс отскока мяча и, в конечном итоге, его остановки не является обратимым во времени. При движении вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия увеличивается. Энтропия может быть одним из немногих процессов, который не является обратимым во времени . Согласно статистическому понятию увеличения энтропии, «стрела» времени отождествляется с уменьшением свободной энергии. [3]
В своей книге «Большая картина » физик Шон М. Кэрролл сравнивает асимметрию времени с асимметрией пространства: В то время как физические законы в целом изотропны , вблизи Земли существует очевидное различие между «вверх» и «вниз» из-за близости к этому огромному телу, которое нарушает симметрию пространства. Аналогично физические законы в целом симметричны относительно изменения направления времени, но вблизи Большого взрыва (т. е. в первые многие триллионы лет после него ) существует очевидное различие между «вперед» и «назад» во времени из-за относительной близости к этому особому событию, которое нарушает симметрию времени. Согласно этой точке зрения, все стрелы времени являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых обстоятельств, которые существовали тогда. (Строго говоря, слабые взаимодействия асимметричны как относительно пространственного отражения, так и относительно изменения направления времени. Однако они подчиняются более сложной симметрии, которая включает в себя и то, и другое.) [ необходима цитата ]
В книге 1928 года «Природа физического мира» , которая способствовала популяризации этой концепции, Эддингтон утверждал:
Нарисуем стрелку произвольно. Если, следуя за стрелкой, мы находим все больше и больше случайного элемента в состоянии мира, то стрелка указывает в будущее; если случайный элемент уменьшается, то стрелка указывает в прошлое. Это единственное различие, известное физике . Это следует сразу, если принять наше фундаментальное утверждение, что введение случайности — это единственное, что нельзя отменить. Я буду использовать фразу «стрела времени», чтобы выразить это одностороннее свойство времени, не имеющее аналога в пространстве.
Затем Эддингтон приводит три момента, на которые следует обратить внимание относительно этой стрелки:
Связанная с этим 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, 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 настоящих воспоминаний, поскольку между внешним миром и нашим мозгом формируется все больше и больше корреляций (см. корреляции и стрелу времени ); а наши настоящие воли и действия являются причинами будущих событий. Это происходит потому, что увеличение энтропии, как полагают, связано с увеличением как корреляций между системой и ее окружением [4] , так и общей сложности, при соответствующем определении; [5] таким образом, все увеличивается вместе со временем.
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 «to look up to greeting you», «to look back to the good old times» или «to be years ahead». Однако эта ассоциация «позади ⇔ прошлое» и «впереди ⇔ будущее» культурно обусловлена. [6] Например, язык аймара ассоциирует «впереди ⇔ прошлое» и «позади ⇔ будущее» как с точки зрения терминологии, так и жестов, что соответствует наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему. [7] [8] Аналогично, китайский термин для «послезавтра» 後天 («hòutiān») буквально означает «после (или позади) дня», тогда как «позавчера» 前天 («qiántiān») буквально означает «предшествующий (или впереди) день», и носители китайского языка спонтанно жестикулируют впереди для прошлого и позади для будущего, хотя существуют противоречивые выводы о том, воспринимают ли они эго как находящееся впереди или позади прошлого. [9] [10] Нет языков, которые помещают прошлое и будущее на лево-правую ось (например, в английском языке нет такого выражения, как *the meeting was moved to the left ), хотя, по крайней мере, носители английского языка ассоциируют прошлое с левым, а будущее с правым, что, по-видимому, берет свое начало в системе письма слева направо. [6]
Слова «вчера» и «завтра» оба переводятся на хинди как одно и то же слово : कल («kal»), [11] что означает «[через] один] день от сегодняшнего дня». [12] Неоднозначность разрешается с помощью глагольного времени. परसों («parson») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «через два дня от сегодняшнего дня». [13]
तरसों («тарсон») используется для обозначения «три дня с сегодняшнего дня» [14] , а नरसों («нарсон») используется для обозначения «четыре дня 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, написав,
Движется дальше: ни вся твоя Набожность, ни Остроумие
Не заставят его вернуться, чтобы стереть половину Строки,
Ни все твои Слезы не смоют ни Слова из нее.— Омар Хайям (перевод Эдварда Фицджеральда ).
В июне 2022 года исследователи сообщили [15] в Physical Review Letters о том, что саламандры демонстрируют противоречащие интуиции реакции на стрелу времени в том, как их глаза воспринимают различные стимулы. [ необходимо разъяснение ]
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 количества 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 измеряет точно время. Кроме того, в открытой системе энтропия может уменьшаться со временем.
Британский физик сэр Альфред Брайан Пиппард писал: «Таким образом, нет никаких оснований для часто бойко повторяемого мнения, что Второй закон термодинамики верен только статистически, в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не происходят нарушения сколько-нибудь серьезной величины. Напротив, не было представлено никаких доказательств того, что Второй закон нарушается при каких-либо обстоятельствах». [16] Однако существует ряд парадоксов [ каких? ] относительно нарушения второго закона термодинамики , один из них связан с теоремой Пуанкаре о возвращении .
Эта стрела времени, по-видимому, связана со всеми другими стрелами времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабой стрелы времени. [ необходимо разъяснение ]
В книге Гарольда Блума 1951 года « Стрела времени и эволюция» [17] обсуждается «связь между стрелой времени (вторым законом термодинамики) и органической эволюцией ». Этот влиятельный текст исследует « необратимость и направление в эволюции и порядке, негэнтропию и эволюцию » . [18] Блум утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами. [19]
Космологическая стрела времени указывает в направлении расширения Вселенной. Она может быть связана с термодинамической стрелой , при этом Вселенная движется к тепловой смерти (Большому охлаждению), поскольку количество термодинамической свободной энергии становится незначительным. С другой стороны, это может быть артефактом нашего места в эволюции Вселенной (см. Антропное смещение ), при этом эта стрелка меняет направление, поскольку 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 расширяется, а не сжимается, по определению.
Термодинамическая стрела времени и второй закон термодинамики считаются следствием начальных условий в ранней Вселенной. [20] Поэтому они в конечном итоге являются результатом космологической установки.
Волны, от радиоволн до звуковых волн и волн на пруду от бросания камня, расширяются от своего источника, хотя волновые уравнения учитывают решения как сходящихся, так и излучающих волн. Эта стрелка была перевернута в тщательно проработанных экспериментах, которые создавали сходящиеся волны, [21] поэтому эта стрелка, вероятно, следует из термодинамической стрелки в том смысле, что выполнение условий для создания сходящейся волны требует большего порядка, чем условия для излучающей волны. Иными словами, вероятность начальных условий, которые создают сходящуюся волну, намного ниже, чем вероятность начальных условий, которые создают излучающую волну. Фактически, обычно излучающая волна увеличивает энтропию, в то время как сходящаяся волна уменьшает ее, [ требуется ссылка ] делая последнее противоречащим второму закону термодинамики в обычных обстоятельствах.
Причина предшествует своему следствию: причинное событие происходит до события, которое оно вызывает или на которое влияет. Рождение, например, следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.
Эпистемологическая проблема с использованием причинности в качестве стрелы времени заключается в том, что, как утверждал Дэвид Юм , причинно-следственная связь per se не может быть воспринята; воспринимаются только последовательности событий. Более того, удивительно 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 является следствием.
С физической точки зрения, корреляции между системой и ее окружением, как полагают, увеличиваются с энтропией, и было показано, что они эквивалентны ей в упрощенном случае конечной системы, взаимодействующей с окружающей средой. [4] Предположение о низкой начальной энтропии действительно эквивалентно предположению об отсутствии начальных корреляций в системе; таким образом, корреляции могут быть созданы только по мере того, как мы движемся вперед во времени, а не назад. Управление будущим или принуждение чего-либо к чему-либо создает корреляции между деятелем и следствием, [22] и, следовательно, связь между причиной и следствием является результатом термодинамической стрелы времени, следствием второго закона термодинамики. [23] 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 кусками чашки, а также пролитой водой и объектом, который заставил чашку упасть.
Квантовая эволюция управляется уравнениями движения, которые симметричны во времени (например, уравнением Шредингера в нерелятивистском приближении), и коллапсом волновой функции , который является необратимым во времени процессом и является либо реальным (согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики ), либо только кажущимся (согласно многомировой интерпретации и реляционной интерпретации квантовой механики ).
Теория квантовой декогеренции объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично по 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 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 является формой 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 закону термодинамики. [24] На языке реляционной квантовой механики наблюдатель становится запутанным с измеряемым состоянием, где эта запутанность увеличивает энтропию. Как сказал Сет Ллойд , «стрела времени — это стрела увеличивающихся корреляций». [25] [26]
Однако при особых обстоятельствах можно подготовить начальные условия, которые приведут к уменьшению декогеренции и энтропии. Это было экспериментально показано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила об инверсии квантовой стрелы времени на квантовом компьютере IBM в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как выходящей из термодинамической. [27] Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а затем и трех сверхпроводящих кубитов , они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер возвращался в исходное состояние. [28] Инверсия состояния производилась специальной программой, аналогично случайной флуктуации микроволнового фона в случае электрона . [28] Однако, согласно оценкам, за всю историю Вселенной (13,7 миллиарда лет) такая инверсия состояния электрона произойдет только один раз, на 0,06 наносекунды . [28] Эксперимент ученых привел к возможности создания квантового алгоритма , который меняет заданное квантовое состояние посредством комплексного сопряжения состояния. [27]
Обратите внимание, что квантовая декогеренция просто допускает процесс коллапса квантовой волны; спорным вопросом является то, происходит ли сам коллапс на самом деле или он является избыточным и кажущимся. 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. [24]
Определенные субатомные взаимодействия, включающие слабую ядерную силу, нарушают сохранение как четности , так и зарядового сопряжения , но только очень редко. Примером является распад каона . [29] 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 сочетание четности и сопряжения зарядов нарушается так редко, означает, что эта стрелка лишь «едва» указывает в одном направлении, что отличает ее от других стрелок, направление которых гораздо более очевидно. Эта стрелка не была связана ни с каким крупномасштабным временным поведением до работы Джоан Ваккаро , которая показала, что нарушение T может быть ответственно за законы сохранения и динамику. [30]