stringtranslate.com

Проблема времени

В теоретической физике проблема времени представляет собой концептуальный конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой , поскольку квантовая механика считает поток времени универсальным и абсолютным, тогда как общая теория относительности считает поток времени податливым и относительным. [1] [2] Эта проблема поднимает вопрос о том, что такое время на самом деле в физическом смысле и действительно ли оно является реальным, отдельным явлением. Это также включает в себя связанный с этим вопрос о том, почему время кажется текущим в одном направлении, несмотря на то, что никакие известные физические законы на микроскопическом уровне, похоже, не требуют единственного направления. [3]

Время в квантовой механике

В классической механике времени придается особый статус в том смысле, что оно рассматривается как классический фоновый параметр, внешний по отношению к самой системе. Эта особая роль видна в стандартной формулировке квантовой механики. Оно априори рассматривается как часть классического фона с четко определенной ценностью. Классическая трактовка времени переплетается с копенгагенской интерпретацией квантовой механики и, таким образом, с концептуальными основами квантовой теории: все измерения наблюдаемых производятся в определенные моменты времени, а вероятности присваиваются только таким измерениям.

Переворот абсолютного времени в общей теории относительности

Хотя классически пространство-время кажется абсолютным фоном, в общей теории относительности время больше не является фоновым параметром, а должно рассматриваться наравне с пространством, а время и пространство развиваются вместе как пространство-время. Гравитация — это проявление геометрии пространства-времени, а пространство-время не фиксировано, а динамично, о чем свидетельствуют такие явления, как гравитационные волны .

Предлагаемые решения проблемы времени

Квантовая концепция времени впервые возникла в результате ранних исследований квантовой гравитации , в частности, из работы Брайса ДеВитта в 1960-х годах: [4] , в результате которой было получено уравнение Уиллера-ДеВитта .

«Другие времена — это просто частные случаи других вселенных».

Другими словами, время — это феномен запутанности , который помещает все одинаковые показания часов (правильно подготовленных часов — или любых объектов, которые можно использовать в качестве часов) в одну и ту же историю. Впервые это поняли физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс в 1983 году. [5] Они предложили решать проблему времени в таких системах, как общая теория относительности, называемую интерпретацией условных вероятностей . [6] Он заключается в преобразовании всех переменных в квантовые операторы, один из которых представляет собой часы, и задании вопросов об условной вероятности относительно других переменных. Они пришли к решению, основанному на квантовом явлении запутанности. Пейдж и Вуттерс показали, как квантовую запутанность можно использовать для измерения времени. [7]

В 2013 году в Национальном институте метрологики (INRIM) в Турине, Италия, Екатерина Морева вместе с Джорджо Брида, Марко Граменья, Витторио Джованнетти, Лоренцо Макконе и Марко Дженовезе провели первую экспериментальную проверку идей Пейджа и Вуттерса. Они подтвердили, что время является возникающим явлением для внутренних наблюдателей, но отсутствует для внешних наблюдателей Вселенной, как и предсказывает уравнение Уиллера-ДеВитта . [8] [9] [10]

Подход последовательной дискретизации, разработанный Хорхе Пуллином и Родольфо Гамбини, не имеет ограничений. Это методы решеточной аппроксимации квантовой гравитации. В каноническом подходе, если дискретизировать ограничения и уравнения движения, полученные дискретные уравнения несовместимы: их нельзя решить одновременно. Для решения этой проблемы используется метод, основанный на дискретизации действия теории и работе с дискретными уравнениями движения. Их согласованность автоматически гарантируется. Большинство сложных концептуальных вопросов квантовой гравитации связаны с наличием ограничений в теории. Непротиворечивые дискретизированные теории свободны от этих концептуальных проблем и могут быть непосредственно квантованы, обеспечивая решение проблемы времени. Это немного более тонко, чем это. Хотя и без ограничений и с «общей эволюцией», последнее происходит только в терминах дискретного параметра, который физически не доступен. Выход рассматривается аналогично подходу Пейджа – Вутерса. Идея состоит в том, чтобы выбрать одну из физических переменных в качестве часов и задать реляционные вопросы. Эти идеи, согласно которым часы также являются квантовомеханическими, фактически привели к новой интерпретации квантовой механики — интерпретации квантовой механики Монтевидео . [11] [12] Эта новая интерпретация решает проблемы использования декогеренции окружающей среды в качестве решения проблемы измерения в квантовой механике, вызывая фундаментальные ограничения, обусловленные квантовомеханической природой часов, в процессе измерения. Эти ограничения очень естественны в контексте общековариантных теорий, таких как квантовая гравитация, где часы следует рассматривать как одну из степеней свободы самой системы. Они также выдвинули эту фундаментальную декогерентность как способ разрешить информационный парадокс черной дыры . [13] [14] В определенных обстоятельствах поле материи используется для депараметризации теории и введения физического гамильтониана. Это порождает физическую эволюцию во времени, а не ограничение.

Ограничения квантования уменьшенного фазового пространства сначала решаются, а затем квантоваются. Некоторое время этот подход считался невозможным, поскольку он, по-видимому, требует сначала найти общее решение уравнений Эйнштейна. Однако с использованием идей, включенных в схему аппроксимации Диттриха (построенную на идеях Карло Ровелли ), способ явно реализовать, по крайней мере в принципе, квантование сокращенного фазового пространства стало жизнеспособным. [15]

Авшалом Элицур и Шахар Долев утверждают, что квантово-механические эксперименты, такие как «Квантовый лжец» [16], предоставляют доказательства противоречивых историй, и что само пространство-время, следовательно, может подвергаться изменениям, влияющим на целые истории. [17] Элицур и Долев также полагают, что объективное течение времени и теория относительности могут быть согласованы и что это разрешит многие проблемы с блочной вселенной и конфликт между теорией относительности и квантовой механикой. [18]

Одно из решений проблемы времени, предложенное Ли Смолиным, состоит в том, что существует «плотное настоящее» событий, в котором два события в настоящем могут быть причинно связаны друг с другом, но в отличие от взгляда на время в виде блочной вселенной, в котором все время существует вечно . [19] Марина Кортес и Ли Смолин утверждают, что определенные классы дискретных динамических систем демонстрируют временную асимметрию и необратимость, что согласуется с объективным ходом времени. [20]

Время Вейля в масштабно-инвариантной квантовой гравитации

Мотивированный неоднозначностью Иммирзи в петлевой квантовой гравитации и почти конформной инвариантностью стандартной модели элементарных частиц, [21] Чарльз Ванг и его коллеги утверждали, что проблема времени может быть связана с лежащей в основе масштабной инвариантностью гравитации-материи. системы. [22] [23] [24] Масштабная инвариантность также была предложена для решения проблемы иерархии фундаментальных связей. [25] Как глобальная непрерывная симметрия, масштабная инвариантность порождает обратный ток Вейля [22] [23] в соответствии с теоремой Нётер . В масштабно-инвариантных космологических моделях этот ток Вейля естественным образом порождает гармоническое время. [26] В контексте петлевой квантовой гравитации Чарльз Ванг и др. предполагают, что масштабная инвариантность может привести к существованию квантованного времени. [22]

Рекомендации

  1. ^ Ишам, CJ (1993), Иборт, Луизиана; Родригес, Массачусетс (ред.), «Каноническая квантовая гравитация и проблема времени», Интегрируемые системы, квантовые группы и квантовые теории поля , Серия NATO ASI, Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 157–287, arXiv : gr-qc /9210011 , номер домена : 10.1007/978-94-011-1980-1_6, ISBN 978-94-011-1980-1, S2CID  116947742 , получено 4 января 2021 г.; http://arxiv.org/abs/gr-qc/9210011
  2. ↑ Волчовер, Натали (1 декабря 2016 г.). «Проблема времени квантовой гравитации». Журнал Кванта .
  3. ↑ Фолджер, Тим (12 июня 2007 г.). «Новости: времени может не существовать». Обнаружить .
  4. ↑ Дойч, Дэвид (14 апреля 2011 г.). Ткань реальности. Пингвин Букс Лимитед. п. 240. ИСБН 978-0-14-196961-9.
  5. ^ Дойч, Дэвид (2011). Начало бесконечности: объяснения, которые меняют мир. Пингвин Великобритания. п. 299. ИСБН 9780141969695.
  6. ^ Пейдж, Дон Н.; Вуттерс, Уильям К. (15 июня 1983 г.). «Эволюция без эволюции: динамика, описываемая стационарными наблюдаемыми». Физ. Преподобный Д. 27 (12): 2885. Бибкод : 1983PhRvD..27.2885P. doi :10.1103/PhysRevD.27.2885.
  7. ↑ Арон, Джейкоб (25 октября 2013 г.). «Запутанная игрушечная вселенная показывает, что время может быть иллюзией». Архивировано из оригинала 18 октября 2016 г.
  8. ^ «Квантовый эксперимент показывает, как время« возникает »из запутанности» . Блог физики arXiv . 23 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 3 июня 2017 г.
  9. ^ Морева, Екатерина; Брида, Джорджио; Граменья, Марко; Джованнетти, Витторио; Макконе, Лоренцо; Дженовезе, Марко (20 мая 2014 г.). «Время от квантовой запутанности: экспериментальная иллюстрация». Физический обзор А. 89 (5): 052122. arXiv : 1310.4691 . Бибкод : 2014PhRvA..89e2122M. doi : 10.1103/PhysRevA.89.052122. S2CID  118638346.
  10. ^ Морева, Екатерина; Граменья, Марко; Брида, Джорджио; Макконе, Лоренцо; Дженовезе, Марко (16 ноября 2017 г.). «Квантовое время: Экспериментальные многовременные корреляции». Физический обзор D . 96 (5): 102005. arXiv : 1710.00707 . Бибкод : 2017PhRvD..96j2005M. doi :10.1103/PhysRevD.96.102005. S2CID  119431509.
  11. ^ Гамбини, Родольфо; Пуллин, Хорхе (1 июня 2009 г.). «Интерпретация квантовой механики Монтевидео: часто задаваемые вопросы». Физический журнал: серия конференций . 174 (1): 012003. arXiv : 0905.4402 . Бибкод : 2009JPhCS.174a2003G. дои : 10.1088/1742-6596/174/1/012003. S2CID  250680865.
  12. ^ Гамбини, Родольфо; Гарсиа-Пинтос, Луис Педро; Пуллин, Хорхе (ноябрь 2011 г.). «Аксиоматическая формулировка интерпретации квантовой механики Монтевидео». Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 42 (4): 256–263. arXiv : 1002.4209 . Бибкод :2011ШПМП..42..256Г. дои :10.1016/j.shpsb.2011.10.002. S2CID  993508.
  13. ^ Гамбини, Родольфо; Порту, Рафаэль А.; Пуллин, Хорхе (декабрь 2004 г.). «В реляционной вселенной нет информационной загадки о черных дырах». Международный журнал современной физики Д. 13 (10): 23:15–23:20. arXiv : hep-th/0405183 . Бибкод : 2004IJMPD..13.2315G. дои : 10.1142/S0218271804006383. S2CID  119424485.
  14. ^ Гамбини, Родольфо; Порту, Рафаэль А.; Пуллин, Хорхе (6 декабря 2004 г.). «Реалистичные часы, универсальная декогеренция и информационный парадокс черной дыры». Письма о физических отзывах . 93 (24): 240401. arXiv : hep-th/0406260 . Бибкод : 2004PhRvL..93x0401G. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.240401. PMID  15697783. S2CID  25174047.
  15. ^ Тиманн, Т. (21 февраля 2006 г.). «Уменьшенное квантование фазового пространства и наблюдаемые Дирака». Классическая и квантовая гравитация . 23 (4): 1163–1180. arXiv : gr-qc/0411031 . Бибкод : 2006CQGra..23.1163T. дои : 10.1088/0264-9381/23/4/006. S2CID  17230218.
  16. ^ Элицур, AC, и Долев, С. (2005). «Квантовые явления в рамках новой теории времени». В квантовой механике Quo vadis? (стр. 325-349). Шпрингер, Берлин, Гейдельберг.
  17. ^ Элицур, AC, и Долев, С. (2003). «Есть ли что-то еще в Т?». В книге «Природа времени: геометрия, физика и восприятие» (стр. 297–306). Спрингер, Дордрехт.
  18. ^ Элицур, AC, и Долев, С. (2005). «Становление как мост между квантовой механикой и теорией относительности». В эндофизике, времени, квантовом и субъективном: (с компакт-диском) (стр. 589–606).
  19. ^ Смолин, Л (2015). «Временный натурализм». Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 52 : 86–102. arXiv : 1805.12468 . Бибкод :2015ШПМП..52...86С. doi :10.1016/j.shpsb.2015.03.005. S2CID  8344858.
  20. ^ Кортес, М.; Смолин, Л. (2018). «Обращение необратимого: от предельных циклов к возникающей временной симметрии». Физический обзор D . 97 (2): 026004. arXiv : 1703.09696 . Бибкод : 2018PhRvD..97b6004C. doi :10.1103/physrevd.97.026004. S2CID  119067096.
  21. ^ Мейснер, Кшиштоф А.; Николай, Герман (10 мая 2007 г.). «Конформная симметрия и Стандартная модель». Буквы по физике Б. 648 (4): 312–317. arXiv : hep-th/0612165 . Бибкод : 2007PhLB..648..312M. дои : 10.1016/j.physletb.2007.03.023 . ISSN  0370-2693.
  22. ^ abc Ван, Чарльз Х.-Т.; Станкевич, Марцин (10 января 2020 г.). «Квантование времени и большой взрыв посредством масштабно-инвариантной петлевой гравитации». Буквы по физике Б. 800 : 135106. arXiv : 1910.03300 . Бибкод : 2020PhLB..80035106W. дои : 10.1016/j.physletb.2019.135106 . ISSN  0370-2693.
  23. ^ Аб Ван, Чарльз Х.-Т.; Родригес, Даниэль П.Ф. (28 декабря 2018 г.). «Закрытие пробелов в квантовом пространстве и времени: конформно дополненная калибровочная структура гравитации». Физический обзор D . 98 (12): 124041. arXiv : 1810.01232 . Бибкод : 2018PhRvD..98l4041W. doi : 10.1103/PhysRevD.98.124041. hdl : 2164/11713 . S2CID  118961037.
  24. ^ Ван, Чарльз Х.-Т. (06.10.2005). «Однозначная спин-калибровочная формулировка канонической общей теории относительности с инвариантностью конформизма». Физический обзор D . 72 (8): 087501. arXiv : gr-qc/0507044 . Бибкод : 2005PhRvD..72h7501W. doi : 10.1103/PhysRevD.72.087501. S2CID  34995566.
  25. ^ Шапошников, Михаил; Шкерин, Андрей (03.10.2018). «Гравитация, масштабная инвариантность и проблема иерархии». Журнал физики высоких энергий . 2018 (10): 24. arXiv : 1804.06376 . Бибкод : 2018JHEP...10..024S. дои : 10.1007/JHEP10(2018)024 . ISSN  1029-8479.
  26. ^ Феррейра, Педро Г.; Хилл, Кристофер Т.; Росс, Грэм Г. (08 февраля 2017 г.). «Ток Вейля, масштабно-инвариантная инфляция и генерация масштаба Планка». Физический обзор D . 95 (4): 043507. arXiv : 1610.09243 . Бибкод : 2017PhRvD..95d3507F. дои : 10.1103/PhysRevD.95.043507 .

дальнейшее чтение