Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о других значениях, см. Стрела времени (значения) .
Эта статья представляет собой обзор предмета. Для более подробного обсуждения технических вопросов и информации, относящейся к текущим исследованиям, см. Энтропия (стрела времени) .
«Стрела времени» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о саундтреке к Timelapse of the Future, см. Timelapse of the Future § Soundtrack .
Сэр Артур Стэнли Эддингтон

Стрела времени , называемая также стрелой времени , является концепцией полагания «односторонний направления» или « асимметрии » по времени . Он был разработан в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и является нерешенным общим физическим вопросом . Это направление, согласно Эддингтону, может быть определено путем изучения организации атомов , молекул и тел и может быть нарисовано на четырехмерной релятивистской карте мира («твердый блок бумаги»). [1]

Считается, что физические процессы на микроскопическом уровне полностью или в основном симметричны во времени : если бы направление времени изменилось на противоположное, теоретические утверждения, описывающие их, остались бы верными. Однако на макроскопическом уровне часто кажется, что это не так: существует очевидное направление (или течение ) времени.

Обзор [ править ]

Симметрию времени ( Т-симметрию ) можно понять просто следующим образом: если бы время было совершенно симметричным, видео реальных событий казалось бы реалистичным независимо от того, воспроизводится ли оно вперед или назад. [2] Например, гравитация - 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. По мере продвижения вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия увеличивается. Энтропия может быть одним из немногих процессов, которые необратимы 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 сравнил асимметрию времени с асимметрией пространства: хотя законы физики в целом изотропны , около Земли существует очевидное различие между «верхом» и «низом» из-за того, что близость к этому огромному телу, нарушающему симметрию пространства. Точно так же физические законы в целом симметричны изменению направления времени, но около Большого Взрыва (то есть 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. С этой точки зрения, все стрелки времени являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых обстоятельств, существовавших тогда. (Строго говоря, слабые взаимодействия асимметричны как по отношению к пространственному отражению, так и к изменению направления времени. Однако они действительно подчиняются более сложной симметрии, которая включает и то, и другое.

Концепция Эддингтона [ править ]

В книге «Природа физического мира» 1928 года , которая помогла популяризировать эту концепцию, Эддингтон заявил:

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 фундаментальное утверждение о том, 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:

  1. Это отчетливо распознается сознанием .
  2. Это также настаивает на нашей способности рассуждать, которая говорит нам, что переворот стрелки сделает внешний мир бессмысленным.
  3. В физической науке он не проявляется, кроме как при изучении организации ряда людей. (Под этим он подразумевает, что это наблюдается только в энтропии, феномене статистической механики, возникающем из системы.)

Согласно Эддингтону, стрелка указывает направление постепенного увеличения случайного элемента. После длинных аргументов в пользу природы термодинамики он приходит к выводу, что с точки зрения физики стрела времени является свойством только энтропии .

Стрелки [ править ]

Термодинамическая стрела времени [ править ]

Основная статья: Энтропия (стрела времени)

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 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 со временем может уменьшаться.

Британский физик сэр Альфред Брайан Пиппард писал: «Таким образом, нет оправдания часто повторяемой точке зрения, согласно которой Второй закон термодинамики истинен только статистически, в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не могут быть серьезными нарушениями. Напротив, никогда не было представлено никаких доказательств того, что Второй закон нарушается ни при каких обстоятельствах ". [4] 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 другими стрелами времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабой стрелы времени . [ требуется разъяснение ]

В книге Гарольда Блюма 1951 года «Стрела времени и эволюция» [5] «исследована связь между стрелой времени (вторым законом термодинамики) и органической эволюцией». Этот влиятельный текст исследует «необратимость и направление эволюции и порядка, негэнтропии и эволюции ». [6] Блюм утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами. [7]

Космологическая стрела времени [ править ]

См. Также: Энтропия и энтропия (стрела времени)

Космологическая стрела времени точек в направлении 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 поворачивается вспять, когда гравитация втягивает все обратно в Большой хруст .

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.

Считается, что термодинамическая стрела времени и второй закон термодинамики являются следствием начальных условий в ранней Вселенной. [8] Следовательно, они в конечном итоге являются результатом космологической установки.

Радиационная стрела времени [ править ]

Волны, от радиоволн до звуковых волн и волн, лежащих в пруду от бросания камня, расширяются наружу от своего источника, хотя волновые уравнения учитывают решения как сходящихся волн, так и радиационных. Эта стрелка была перевернута в тщательно проработанных экспериментах, в которых создавались сходящиеся волны [9].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. В самом деле, как правило, радиационные волны возрастает энтропия, в то время как сходящаяся волна уменьшает его, [ править ] делая последние противоречит второму закону термодинамики в обычных условиях.

Причинная стрела времени [ править ]

Причина предшествует эффект: причинное событие происходит перед событием он вызывает или влияет. Например, рождение следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.

Эпистемологическая проблема с использованием причинно - следственной связи , как стрела времени является то , что, как и Дэвид Юм сохраняется, причинная связь сама по себе не может быть воспринята; 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. Тем не менее, кажется очевидным, что падение чашки с водой является причиной, тогда как чашка впоследствии разбивается и проливается вода.

Говоря физически, считается, что корреляции между системой и ее окружением увеличиваются с увеличением энтропии, и было показано, что они эквивалентны ей в упрощенном случае конечной системы, взаимодействующей с окружающей средой. [10] Предположение о низкой начальной энтропии действительно эквивалентно предположению об отсутствии начальных корреляций в системе; таким образом, корреляции могут создаваться только по мере того, как мы движемся вперед во времени, а не назад. Управление будущим или побуждение чего-то происходить создает корреляции между деятелем и следствием [11], и поэтому связь между причиной и следствием является результатом термодинамической стрелы времени, следствием второго закона термодинамики. [12] 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 частями чашки, а также пролитыми каплями воду и предмет, из-за которого чаша упала.

Физика элементарных частиц (слабая) стрела времени [ править ]

Основная статья: нарушение CP

Некоторые субатомные взаимодействия с участием слабого ядерного взаимодействия нарушают сохранение как четности, так и зарядового сопряжения , но очень редко. Примером может служить распад каона . [13] 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 зарядового сопряжения нарушается так редко, означает, что эта стрелка «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. [14]

Квантовая стрела времени [ править ]

Квантовая эволюция определяются уравнениями движения, которые по времени симметрично (например, уравнение Шредингера в нерелятивистском приближении), и коллапс волновой функции , которая представляет собой необратимый процесс времени и является либо реальным (по копенгагенской интерпретации в квантовом механика ) или очевидная только (по интерпретации многомировых и реляционной квантовой механика интерпретации).

Теория квантовой декогеренции объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично во 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 этих двух систем сначала связаны, но последующие взаимодействия (с дополнительными частицами или системами) уменьшают их, 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 закону термодинамики. [15] 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». [16]

Однако при особых обстоятельствах можно подготовить начальные условия, которые вызовут уменьшение декогеренции и энтропии. Это было экспериментально показано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила об обращении квантовой стрелки времени на квантовом компьютере IBM в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как выходящей из термодинамической. [17]

Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а затем трех сверхпроводящих кубитов , они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер вернулся в исходное состояние. [18] Смена состояния производилась специальной программой, аналогично случайной флуктуации микроволнового фона в случае электрона . [18] Однако, согласно оценкам, на протяжении всего возраста Вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона могло произойти только один раз, за ​​0,06 наносекунды . [18] Эксперимент ученых привел к возможности квантового алгоритма.который меняет заданное квантовое состояние на противоположное посредством комплексного сопряжения . [17] [ расплывчато ]

Обратите внимание, что квантовая декогеренция просто допускает процесс коллапса квантовой волны; 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 стрелке времени. [15]

Психологическая / перцепционная стрела времени [ править ]

Основная статья: Восприятие 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 стрелку время ); а наши настоящие воли и действия являются причинами будущих событий. Это связано с тем, что считается, что увеличение энтропии связано с увеличением обеих корреляций между системой и ее окружением [10]и общая сложность, при соответствующем определении [19], таким образом, все возрастает 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 «с нетерпением жду встречи с вами», «оглядываться в старые добрые времена» или « быть на годы впереди ". Однако эта ассоциация «позади прошлого» и «впереди будущего» определяется культурой. [20] Например, язык аймара ассоциирует «впереди ⇔ прошлое» и «позади ⇔ будущее» как в терминологии, так и в терминах жестов, соответствующих наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему. [21] [22] Точно так же китайцытермин «послезавтра» 後天 («hòutiān») буквально означает «послезавтра», тогда как «позавчера» "天 («qiántiān») буквально означает «предшествующий (или передний) день», и говорящие по-китайски спонтанно жестикулируют перед прошлым и позади в будущем, хотя есть противоречивые выводы о том, воспринимают ли они эго как впереди или позади прошлого. [23] [24] Нет языков, которые помещают прошлое и будущее на оси слева направо (например, нет выражения на английском языке, такого как * собрание было перемещено влево ), хотя, по крайней мере, носители английского языка связывают прошлое с левым и будущее с правым. [20]

Слова «вчера» и «завтра» на хинди переводятся как одно и то же : कल («кал»), [25] означающее «[один] день, удаленный от сегодняшнего». [26] Двусмысленность разрешается глагольным временем. परसों («parsoⁿ») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «два дня от сегодняшнего дня». [27] नरसों («нарсоⁿ») используется для обозначения «три дня от сегодняшнего дня». [28]

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,
  движется дальше: ни все твое благочестие, ни остроумие.
Соблазнишь его обратно, чтобы отменить половину строки,
  И все твои слезы не смывают это Слово.

- Омар Хайям (перевод Эдварда Фицджеральда ).

См. Также [ править ]

  • Краткая история времени
  • Антропный уклон
  • Илья Пригожин
  • Парадокс лошмидта
  • Демон Максвелла
  • Рождественские лекции Королевского института 1999
  • Самай чакра
  • Временная эволюция
  • Обработка сигнала обращения времени
  • Теория поглотителя Уиллера – Фейнмана

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Weinert, Friedel (2005). Ученый как философ: философские последствия великих научных открытий . Springer. п. 143. ISBN 978-3-540-21374-1., Глава 4, с. 143
  2. ↑ Дэвид Альберт о времени и шансах
  3. ^ Tuisku, P .; Перну, ТК; Аннила, А. (2009). «В свете времени» . Труды Королевского общества А . 465 (2104): 1173–1198. Bibcode : 2009RSPSA.465.1173T . DOI : 10.1098 / rspa.2008.0494 .
  4. ^ А.Б. Пиппард, Элементы химической термодинамики для продвинутых студентов-физиков (1966), стр.100.
  5. ^ Блюм, Гарольд Ф. (1951). Стрела времени и эволюция (Первое издание). ISBN 978-0-691-02354-0.
  6. ^ Morowitz, Harold J. (сентябрь 1969). «Рецензия на книгу: Стрела времени и эволюция: Третье издание» . Икар . 11 (2): 278–279. Bibcode : 1969Icar ... 11..278M . DOI : 10.1016 / 0019-1035 (69) 90059-1 . PMC 2599115 . 
  7. ^ Мкн., WP (ноябрь 1951). «Книжные рецензии: стрела времени и эволюция» . Йельский журнал биологии и медицины . 24 (2): 164. PMC 2599115 . 
  8. ^ Сасскинд, Леонард. «Больцман и стрела времени: недавняя перспектива» . Корнельский университет . Корнельский университет . Проверено 1 июня 2016 года .
  9. ↑ Матиас Финк (30 ноября 1999 г.). «Обращенная во времени акустика» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 31 декабря 2005 года . Проверено 27 мая 2016 .
  10. ^ а б Эспозито, М., Линденберг, К. , и Ван ден Брок, К. (2010). Производство энтропии как взаимосвязь между системой и резервуаром. Новый журнал физики, 12 (1), 013013.
  11. ^ Физические истоки асимметрии времени , стр. 109–111.
  12. ^ Физические истоки асимметрии времени , глава 6
  13. ^ "Дом" . Мир физики .
  14. ^ Ваккаро, Джоан (2016). «Квантовая асимметрия между временем и пространством» . Труды Королевского общества А . 472 (2185): 20150670. arXiv : 1502.04012 . Bibcode : 2016RSPSA.47250670V . DOI : 10,1098 / rspa.2015.0670 . PMC 4786044 . PMID 26997899 .  
  15. ^ a b Schlosshauer, M. (2005). Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики. Обзоры современной физики, 76 (4), 1267.
  16. ^ Wolchover, Натали (25 апреля 2014). «Новая квантовая теория может объяснить течение времени» - через www.wired.com.
  17. ^ a b Лесовик Г.Б., Садовский И.А., Суслов М.В., Лебедев А.В., Винокур В.М. (13 марта 2019 г.). «Стрела времени и ее обращение на квантовом компьютере IBM» . Природа . 9 (1): 4396. arXiv : 1712.10057 . DOI : 10.1038 / s41598-019-40765-6 . PMC 6416338 . PMID 30867496 . S2CID 3527627 .   CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  18. ^ a b c «Физики обращают время вспять с помощью квантового компьютера» . Phys.org . 13 марта 2019 . Проверено 13 марта 2019 .
  19. ^ Ladyman, J .; Lambert, J .; Вайснер, К.Б. Что такое сложная система? Евро. J. Philos. Sci. 2013, 3, 33–67.
  20. ^ a b Ульрих, Рольф; Эйкмайер, Верена; де ла Вега, Ирмгард; Руис Фернандес, Сусана; Алекс-Руф, Симона; Майенборн, Клаудия (01.04.2012). «С прошлым позади и будущим впереди: прямое представление прошлых и будущих предложений» . Память и познание . 40 (3): 483–495. DOI : 10,3758 / s13421-011-0162-4 . ISSN 1532-5946 . PMID 22160871 .  
  21. ^ Для племени Анд это назад в будущее - по состоянию на 26 сентября 2006 г.
  22. ↑ Núñez Rafael E., Sweetser Eve. «С будущим позади них: конвергентные данные из языка аймара и жестов в кросслингвистическом сравнении пространственных конструктов времени» (PDF) . Департамент когнитивных наук Калифорнийского университета в Сан-Диего . Дата обращения 8 марта 2020 .
  23. ^ Гу, Ян; Чжэн, Ецю; Свертс, Марк (2019). «Что впереди китайцев, прошлое или будущее? Влияние языка и культуры на временные жесты и пространственные представления о времени» . Когнитивная наука . 43 (12): e12804. DOI : 10.1111 / cogs.12804 . ISSN 1551-6709 . PMC 6916330 . PMID 31858627 .   
  24. ^ mbdg.net Китайско-английский словарь - по состоянию на 11 января 2017 г.
  25. ^ Бахри, Хардев (1989). Хинди-английский словарь для учащихся . Дели: Раджпал и сыновья. п. 95. ISBN 978-81-7028-002-6.
  26. ^ Alexiadou, Artemis (1997). Размещение наречий: пример антисимметричного синтаксиса . Амстердам [ua]: Беньямин. п. 108. ISBN 978-90-272-2739-3.
  27. ^ Hindi-English.org Hindi English Dictionary परसों - по состоянию на 11 января 2017 г.
  28. ^ Shabdkosk.Raftaar.in Hindi English Dictionary नरसों - по состоянию на 11 января 2017 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Лебовиц, Джоэл Л. (2008). «Стрела времени и энтропия Больцмана» . Scholarpedia . 3 (4): 3448. Bibcode : 2008SchpJ ... 3.3448L . DOI : 10,4249 / scholarpedia.3448 .
  • Больцман, Людвиг (1964). Лекции по теории газа . Калифорнийский университет Press.Перевод с немецкого оригинала Стивеном Г. Брашем. Первоначально опубликовано 1896/1898 гг.
  • Кэрролл, Шон (2010). Из вечности сюда: поиски окончательной теории времени . Даттон. Интернет сайт
  • Ковени, Питер ; Хайфилд, Роджер (1990), Стрела времени: путешествие через науку, чтобы разгадать величайшую тайну времени , Лондон: WH Allen, ISBN 978-1-85227-197-8
  • Фейнман, Ричард (1965). Характер физического закона . Публикации BBC. Глава 5.
  • Холливелл, JJ; и другие. (1994). Физические истоки асимметрии времени . Кембридж. ISBN 978-0-521-56837-1. (технический).
  • Мерсини-Хоутон, Л., Ваас, Р. (ред.) (2012) Стрелы времени. Дискуссия в космологии . Springer. 2012-06-22. ISBN 978-3-642-23258-9. (частично технический).
  • Пайерлс, Р. (1979). Сюрпризы в теоретической физике . Принстон. Раздел 3.8.
  • Пенроуз, Роджер (1989). Новый разум императора . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-851973-7. Глава 7.
  • Пенроуз, Роджер (2004). Дорога к реальности . Джонатан Кейп. ISBN 978-0-224-04447-9. Глава 27.
  • Прайс, Хью (1996). Стрела времени и точка Архимеда . ISBN 978-0-19-510095-2. Интернет сайт
  • Zeh, H.D (2010). Физическая основа направления времени . ISBN 978-3-540-42081-1. Официальный сайт книги
  • «Эксперимент BaBar подтверждает асимметрию времени» .

Внешние ссылки [ править ]

  • Соглашение Ритца-Эйнштейна о несогласии , обзор исторических перспектив предмета, предшествовавших развитию квантовой теории поля .
  • Термодинамическая стрела: загадки и псевдопазлы Хью Прайс на стрелке времени
  • Стрелка времени в дискретной игрушечной модели
  • Стрела времени
  • Почему время бежит только вперед , Адам Беккер , bbc.com.