Top.Mail.Ru

Тайна Стрелы Времени

Тайна Стрелы Времени

Эта простая модель вселенной показывает, как один естественный закон указывает на порядок.

КАК сознательные существа, мы постоянно осознаем неустанный марш времени. Вы можете превратить яйцо в омлет, но вы не можете превратить омлет обратно в яйцо. Опавшие очки разбиваются и не собираются заново. Прежде всего, мы стареем и становимся дряхлыми; нет возврата к молодости.

Но это великая научная загадка. На фундаментальном микроскопическом уровне в форме законов природы нет ничего, что отличало бы направление времени. Они симметричны по времени. Но поведение макроскопических объектов вокруг нас подчиняется известному второму закону термодинамики, согласно которому беспорядок (измеряемый энтропией) всегда увеличивается со временем. Это помещает направление или стрелку времени в явления. Классические исследования Максвелла и Больцмана во второй половине 19-го века предполагали существование атомов и показали, на основе разумных законов, что неравномерное распределение атомов всегда будет иметь тенденцию вымываться в состояние с равномерное распределение температуры.

Эта начальная работа не учитывала гравитацию. Гравитация порождает множество загадок, поскольку она порождает «анти-термодинамическое» поведение: под ее влиянием равномерно распределенное вещество имеет тенденцию распадаться на кластеры. На данный момент никто не знает, как описать это поведение, используя концепцию типа энтропии. Это тем более озадачивает, потому что замечательная теория гравитации Эйнштейна - его общая теория относительности - действительно показывает, что, когда черные дыры образуются, они обладают термодинамическими свойствами и обладают колоссальной энтропией. То, что никто не смог сделать, это определить гравитационную энтропию для остальной части вселенной.

Самые популярные идеи, выдвинутые великим теоретиком гравитации Роджером Пенроузом, пытаются определить эту гравитационную энтропию для остальной части Вселенной с точки зрения степени неоднородности гравитационного поля. Космологические наблюдения показывают, что ранняя вселенная началась в исключительно однородном состоянии, что, если Пенроуз прав, соответствует очень низкой энтропии. С тех пор энтропия значительно возросла, прежде всего, благодаря образованию черных дыр. Но это, в свою очередь, поднимает вопрос: учитывая симметричные по времени законы и тот факт, что состояния с высокой энтропией значительно более вероятны, чем состояния с низкой энтропией, что объясняет исключительно низкую энтропию исходного состояния вселенной?

Гравитация представляет множество загадок, потому что она порождает «анти-термодинамическое» поведение.

Сегодня среди ученых распространено предположение, что по какой-то пока неизвестной, возможно, квантово-механической причине, вселенная только началась в таком состоянии. Это «гипотеза прошлого». Она ссылается на тот факт, что все стандартные объяснения в физике включают как законы, так и начальные условия. Результат любого лабораторного эксперимента определяется как законами, так и условиями, при которых он начинается. Гипотеза прошлого распространяет этот традиционный способ мышления на всю вселенную. Он опирается на закон и исходное состояние.

Но использование необъяснимых начальных условий для объяснения двух самых поразительных особенностей вселенной - роста энтропии вокруг нас наряду с устойчивым ростом структуры во вселенной в целом - оставляет Пенроуза и других, подобных мне, неудовлетворенными. Что движет учеными, так это желание объяснять и понимать явления. Мы все хотим подражать тому, как Чарльз Дарвин объяснял так много всего четырьмя словами: эволюция путем естественного отбора. В случае стрелы времени это буквально вопрос жизни и смерти, потому что мы все идем вместе в одном направлении от рождения до могилы. Что наводит на мир такой поразительный порядок?

Мои сотрудники и я нашли потенциальное объяснение, основанное только на законе. 1 Мы пришли к этому случайно, и это может быть или не быть правильным. Тем не менее, он показывает, что хотя бы один закон симметрии времени (гравитация) всегда приводит к наблюдаемому однонаправленному росту структуры.

Основа нашего объяснения лежит в простейшей «игрушечной» модели, которую можно создать из вселенной: три частицы равной массы, которые взаимодействуют в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона. Три частицы движутся относительно друг друга, прослеживая пути в бесконечном пространстве, подобно трем бесконечным нитям спагетти, удерживаемым в фиксированных взаимных положениях. Каждый триплет кривых будет иметь форму, отличную от любой другой. При разумных ограничениях, если мы стремимся смоделировать всю вселенную, практически все триплеты пути, описываемые частицами, будут иметь вид, показанный на рисунке «Игрушечная модель вселенной».

Как показано стрелками на рисунке, мы видим одну частицу, идущую снизу слева, в то время как две другие частицы вращаются вокруг друг друга и движутся сверху справа. Когда они встречаются, возникает сложное взаимодействие, в результате которого, как показано, может происходить обмен партнерами. Затем одиночная частица улетает в верхний левый угол, а новая пара - в нижний правый. Может также случиться, что не происходит обмена партнерами.

В любом случае ключевой момент заключается в том, что, поскольку основной закон не различает направление времени, стрелки могут быть обращены вспять, и история будет читаться одинаково хорошо в противоположном направлении. Если кто-то рассматривает полное решение, то никоим образом закон, который управляет процессом, не позволяет определить начало или конец истории. Совершенно невозможно сказать, что время течет в одном направлении, а не в противоположном.

Однако существует интересная альтернатива рассмотрению полного решения на рисунке. Давайте начнем с того, что кажется реальным. В любой момент три частицы образуют треугольник. Чтобы сказать, что он имеет размер, нам нужен правитель. Но это было бы чем-то дополнительным, и мы хотим смоделировать вселенную по трем частицам и ничему другому. Это только оставляет нас с формой треугольника, который определяется двумя углами. Поскольку форма постоянно меняется и можно предположить, что она никогда не повторяется точно, то, если бы нам были даны все треугольники, мы могли бы однозначно расположить их в одном из двух определенных порядков, каждый противоположный другому.

Какие сейчас моменты времени? В нашей модели нет часов, чтобы сказать им. Все, что у нас есть, это формы. Поскольку все они разные и могут быть расположены в одну линию, давайте назовем их мгновенными. Начиная с глубокой древности изменяющаяся форма луны использовалась в целях датирования. Он по-прежнему контролирует исламский календарь и христианские и иудейские праздники. Принятие форм вселенной за мгновение превращает ее в предельную луну.

Это буквально вопрос жизни и смерти, потому что мы все идем вместе в одном направлении от рождения до могилы.

Установив важность формы, давайте интерпретируем рисунок с точки зрения того, как форма изменяется, начиная с центральной области, где все три частицы сильно взаимодействуют. Как правило, это очень неправильная область, и формы меняются соответственно. Это можно сравнить с «изначальным хаосом». Давайте произвольно назовем этот центральный регион «началом» времени.

Теперь рассмотрим диагональ рисунка, на котором показаны стрелки, указывающие в сторону от «изначального хаоса». Линия, идущая вверх влево, представляет отдельную частицу, скрученные нити «спагетти», спускающиеся вправо, представляют пару, которая оседает. все более стабильно в орбитальной паре. Эта пара служит периодическим процессом, который определяет часы. Каждый последующий «тик» происходит, когда одна частица пары пересекает линию, соединяющую центр масс частицы с третьей частицей. Это когда вселенная имеет особую форму трех частиц на линии. Так что наша игрушечная вселенная действительно похожа на луну.

Но теперь давайте подумаем, есть ли какой-то смысл, в котором направление или ориентация времени могут быть определены на рисунке. Я указал, что в нашей вселенной два противоположных эффекта определяют одно и то же направление времени. Рост беспорядка (энтропии) в ограниченных областях, в то время как вселенная в больших масштабах становится все более богато структурированной по мере образования галактик, звезд и планетных систем. Наша модель слишком проста, чтобы моделировать рост энтропии, но она моделирует рост структуры.

В самом деле, можно рассматривать орбитальную пару как «галактику», формирование которой по мере того, как она возникает из «изначального хаоса», может следовать шаг за шагом на рисунке. Таким образом, если мы ограничим внимание рассматриваемой диагональю и определим направление времени путем роста структуры из хаоса, мы получим историю, которая в своих основных чертах довольно хорошо моделирует то, что космологи наблюдают во вселенной. Это история вселенной, чья общая форма меняется однонаправленно.

Но есть, конечно, другая диагональ, идущая снизу слева вверху справа. Если мы повернем стрелки на нем и снова примем «изначальный хаос» как рождение времени, мы получим другую «историю вселенной», отличную от первой, но качественно того же рода. У нас есть две совершенно разные истории в одном решении! Все это делается только с тремя частицами. По причинам, приведенным в нашей статье, то же самое происходит, если число частиц увеличивается произвольно. Примечательно, что всегда существует область нерегулярного хаотического движения - «изначальный хаос», из которого возникают два и только два эффективно независимых пути. Обратите внимание, что самая простая версия этой модели имеет три частицы, поскольку часы не могут быть определены только с двумя.

Как богоподобные теоретики, мы можем посмотреть на рисунок в полном объеме и увидеть, что он не определяет общее направление времени. Но любой наблюдатель во вселенной Фигуры обязательно будет в одной из двух частей, которые я назвал историями (одна из двух диагоналей). Ограниченные этим, они будут наблюдать ключевые атрибуты, которые мы связываем со временем: деление на прошлое, настоящее и будущее; часы, которые измеряют время; и прогрессивный рост структуры, которая определяет стрелу времени. Поэтому они воспримут «изначальный хаос» в центре фигуры как прошлое, которое стало причиной упорядоченного настоящего.

Следует сказать, что важен характер каждой истории, а не дублирование историй. Хотя основной тип поведения не изменяется при добавлении частиц, мы не можем ожидать, что теория Ньютона смоделирует общую относительность Эйнштейна. Тем не менее, интересно, что есть некоторые очень специальные решения теории Ньютона, которые являются относительно хорошими моделями для Эйнштейна.

В них «первичный хаос» - это не нерегулярная область, а область, в которой все частицы находятся в одной и той же точке, из которой они первоначально возникают в довольно равномерном распределении, которое затем становится нерегулярным до образования устойчивых структур. В этом случае есть только одна диагональ, в середине которой все частицы находятся в одной точке. Это многообещающая модель Большого взрыва современной космологии.

Я хочу подчеркнуть следующее: все решения модели демонстрируют однонаправленный рост структуры из «хаоса». Самые основные элементы закона означают, что рост не может измениться. Основные причины изложены в статье моими сотрудниками и мной. Более того, если, как и в космологии, мы определяем направление времени ростом структуры, все решения задают направление времени, даже если они порождены законом, который сам по себе не различает направление времени.

Модель трехчастичной игрушки ставит под сомнение наше инстинктивное представление о причинности, согласно которому что-то в прошлом вызывает то, что происходит сейчас. На рисунке нет прошлого, которое вызывает и объясняет любое настоящее. Причинность не работает таким образом. Закон является единственной причиной, в том числе в случае специальных решений только с одной историей. Все решения, которые подчиняются закону, существуют в вечности вечности, как пути в ландшафте или долины в горной цепи. Неправильно читать причинно-следственные связи во времени в решениях. Пути просто есть. Однако они могут вести из менее структурированных регионов. Модель доказывает, что одного закона, без каких-либо особых начальных условий, может быть достаточно для объяснения стрелки времени.

Теперь давайте вернемся к нашей собственной вселенной, которая демонстрирует однонаправленные изменения. В традиционной хронологии ранняя вселенная была значительно более однородной, чем сегодняшняя. Наблюдения за микроволновым излучением, которое омывает Вселенную, обнаруживают случайные колебания температуры и плотности массы, составляющие лишь около одной части на 10000.

Взяв это состояние за исходное состояние, космологи могут удивительно хорошо объяснить, как возникла нынешняя вселенная с ее невероятно богатой структурой и огромными контрастами плотности. Поэтому очень естественно сказать, что микроволновый фон существовал до нашей нынешней вселенной и через причинный механизм породил его. Кажется совершенно странным сказать, что нынешняя вселенная вызвала микроволновый фон. Но, в конечном счете, это вывод, основанный на инстинкте, а не на жестком факте, и инстинкт часто препятствует прогрессу в науке.

Эта работа - только начало. Тот факт, что все это возникает уже из взаимодействия только трех частиц, объясняется прекрасной простотой закона тяготения Ньютона и некоторыми архитектоническими структурами, которыми он обладает. У общей теории относительности Эйнштейна они тоже есть, но это гораздо более богатая теория, поэтому мы пока не можем сказать, хватит ли только в этом случае закона, чтобы создать стрелу времени без опоры особого начального условия. Однако, если это так, одна из интуиций, которую большинству людей, включая многих ученых, очень трудно отбросить - это время реально и действительно течет, - вполне может быть иллюзией.

Джулиан Барбур - независимый физик-теоретик, посвятивший много исследований природе времени. С 2008 года он был приглашенным профессором по физике в Оксфордском университете.

00:05
103
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!