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 мнению Эддингтона, можно было бы определить, изучая организацию атомов , молекул и тел , и можно было бы нарисовать на четырехмерной релятивистской карте мира («сплошной блок бумаги»). [1]
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.
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. [2] Например, гравитация — это обратимая во времени сила. 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. [3]
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 . )
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:
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 увеличение энтропии считается связанным с увеличением как корреляций между системой и ее окружением [4] , так и общей сложности в соответствии с соответствующим определением; [5] таким образом, все они увеличиваются 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. [6] 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. [7] [8] 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 впереди) день», и носители китайского языка спонтанно жестикулируют вперед, указывая на прошлое, и позади, указывая на будущее, хотя существуют противоречивые данные о том, воспринимают ли они эго как находящееся впереди или позади прошлого. [9] [10] Не существует языков, которые бы располагали прошлое и будущее на оси лево-право (например, в английском языке нет такого выражения, как *встреча была перенесена влево ), хотя, по крайней мере, носители английского языка связывают прошлое с левыми и будущее с правыми. [6]
Слова «вчера» и «завтра» на хинди переводятся одним и тем же словом : कल («кал»), [11] что означает «[один] день, далекий от сегодняшнего дня». [12] Неясность разрешается с помощью времени глагола. परसों («парсон») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «через два дня». [13]
तरसों («тарсон») используется для обозначения «трех дней начиная с сегодняшнего дня» [14] , а नरसों («нарсон») используется для обозначения «четырех дней 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 ум.
Заманишь его обратно, чтобы отменить половину строки,
И все твои слезы не смоют ни слова из него.— Омар Хайям (перевод Эдварда Фицджеральда ).
В июне 2022 года исследователи сообщили [15] в Physical Review Letters , обнаружив, что саламандры демонстрируют нелогичную реакцию на стрелу времени в том, как их глаза воспринимают различные стимулы. [ нужны разъяснения ]
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». [16] Однако существует ряд парадоксов [ каких? ] 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. [ нужны разъяснения ]
В книге Гарольда Блюма « Стрела времени и эволюция» 1951 года [17] обсуждается «взаимосвязь между стрелой времени (вторым законом термодинамики) и органической эволюцией ». Этот влиятельный текст исследует « необратимость и направление эволюции и порядка, негэнтропию и эволюцию ». [18] Блюм утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами. [19]
Космологическая стрела времени указывает направление 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. [20] Следовательно, они в конечном итоге являются результатом космологической установки.
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 по созданию сходящихся волн [21] , поэтому эта стрелка, вероятно, следует из термодинамической стрелки, заключающейся в том, 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 радиационная волна увеличивает энтропию, а сходящаяся волна уменьшает ее, что делает последнее противоречащим второму закону термодинамики в обычных обстоятельствах.
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 проблема с использованием причинности как стрелы времени заключается в том, что, как утверждал 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 разбиение чашки и проливание воды — следствием.
С физической точки зрения считается, что корреляции между системой и ее окружением увеличиваются с ростом энтропии, и было показано, что они эквивалентны этому 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 создаваться только по мере продвижения во времени вперед, а не назад. Управление будущим или заставляя что-то произойти, 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 с падением чашки начальные условия имеют высокий порядок и низкую энтропию, в то время как конечное состояние имеет высокие корреляции между относительно удаленными частями системы – разбитыми чашками, а также пролитая вода и предмет, из-за которого чашка упала.
Квантовая эволюция управляется уравнениями движения, симметричными во времени (такими как уравнение Шрёдингера в нерелятивистском приближении), а также коллапсом волновой функции , который является необратимым во времени процессом и является либо реальным (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. [24] 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». [25] [26]
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 квантовом компьютере IBM , в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как возникающей из термодинамической. [27] Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а позже и трёх сверхпроводящих кубитов , они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер возвращался в исходное состояние. [28] Обращение состояния осуществлялось специальной программой, аналогично случайному колебанию микроволнового фона в случае электрона . [28] Однако, по оценкам, за всю историю Вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона произошло бы только один раз, за 0,06 наносекунды . [28] Эксперимент ученых привел к возможности создания квантового алгоритма , который обращает заданное квантовое состояние посредством комплексного сопряжения состояния. [27]
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. [24]
Определенные субатомные взаимодействия, включающие слабое ядерное взаимодействие, нарушают сохранение как четности , так и зарядового сопряжения , но лишь очень редко. Примером может служить 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.
Тот факт, что комбинация четности и зарядового сопряжения нарушается так редко, означает, что эта стрелка «едва» указывает 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. [30]