Стрела времени - Википедия - Arrow of time

Для использования в других целях см. Стрела времени (значения).
Эта статья представляет собой обзор предмета. Для более технических обсуждений 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 § Саундтрек.
Сэр Артур Стэнли Эддингтон

В стрела времени, также называемый стрелка времени, это концепция, постулирующая "одностороннее направление" или "асимметрию" время. Он был разработан в 1927 году британским астрофизиком. Артур Эддингтон, и является нерешенный общий физический вопрос. Это направление, по мнению Эддингтона, может быть определено путем изучения организации атомы, молекулы, и тела, и может быть нарисован на четырехмерный релятивистская карта мира («твердый блок бумаги»).[1]

Физические процессы на микроскопический уровень считается либо полностью, либо в основном симметричный во времени: если бы направление времени изменилось, теоретические утверждения, которые их описывают, остались бы верными. Однако на макроскопический часто оказывается, что это не так: есть очевидное направление (или поток) времени.

Обзор

Симметрия времени (Т-симметрия ) можно понимать просто как следующее: если бы время было абсолютно симметричным, видео реальных событий казалось бы реалистичным независимо от того, воспроизводится ли оно вперед или назад.[2] Сила тяжести, например, 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. Идя вперед, кинетическая энергия рассеивается и энтропия увеличена. Энтропия может быть одним из немногих процессов, которые необратимый во времени. Согласно статистическому представлению об увеличении энтропии, «стрела» времени отождествляется с уменьшением свободной энергии.[3]

В его книге Большая картина, физик Шон М. Кэрролл сравнил асимметрию времени с асимметрией пространства: хотя законы физики в целом изотропный у Земли есть очевидное различие между «верхом» и «низом» из-за близости к этому огромному телу, которое нарушает симметрию пространства. Точно так же физические законы в целом симметричны смене направления времени, но около Большой взрыв (т.е. в первые много триллионов лет после этого ) 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 стрелки времени являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых обстоятельств, существовавших тогда (за исключением асимметрии слабые взаимодействия, которые асимметричны как по отношению к пространственному отражению, так и к изменению направления времени, но тем не менее подчиняются более сложная симметрия, включающая как ).

Концепция Эддингтона

В книге 1928 года Природа физического мира, который помог популяризировать 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 физика. 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 ярко признано сознание.
  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 долгого спора о природе термодинамика он заключает, что с точки зрения физики стрела времени является свойством энтропия один.

Стрелки

Термодинамическая стрела времени

Основная статья: Энтропия (стрела времени)

Стрела времени - это «одностороннее направление» или «асимметрия» времени. Термодинамическая стрела времени обеспечивается второй закон термодинамики, который говорит о том, 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 никаких оснований для часто повторяемого взгляда, что Второй закон термодинамики истинен только статистически в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не имеют серьезных масштабов. Напротив, нет никаких доказательств. когда-либо было представлено, что Второй закон нарушается ни при каких обстоятельствах ».[4] Однако есть ряд парадоксов относительно нарушение второго закона термодинамики, один из них из-за Теорема Пуанкаре о возвращении.

Эта стрела времени, кажется, связана со всеми другими стрелами времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабая стрела времени.[требуется разъяснение ]

Гарольд Блюм книга 1951 года Стрела времени и эволюция[5] «исследовал взаимосвязь между стрелой времени (второй закон термодинамики) и органической эволюцией». Этот влиятельный текст исследует «необратимость и направление эволюции и порядка, негэнтропия, и эволюция."[6] Блюм утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами.[7]

Космологическая стрела времени

Смотрите также: Энтропия и Энтропия (стрела времени)

В космологическая стрела времени указывает в направлении расширения Вселенной. Это может быть связано с термодинамической стрелкой, когда Вселенная движется к тепловая смерть (Большой холод) поскольку количество полезной энергии становится незначительным. Или же это может быть артефакт нашего места в эволюции Вселенной (см. Антропный уклон ), когда эта стрелка переворачивается, поскольку сила тяжести тянет все обратно в Большой хруст.

Если эта стрела времени связана с другими стрелками времени, то будущее по определению направление, 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 первоначальные условия в ранней вселенной.[8] Следовательно, они в конечном итоге являются результатом космологической установки.

Радиационная стрела времени

Волны, от радиоволны к звуковые волны находящимся в пруду после того, как бросили камень, расширяться наружу от своего источника, даже если волновые уравнения учитывать решения как сходящихся волн, так и радиационных. Эта стрелка была перевернута в тщательно проработанных экспериментах, которые создавали 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. Фактически, обычно излучательная волна увеличивает энтропию, а сходящаяся волна уменьшает ее,[нужна цитата ] делая последнее противоречащим второму закону термодинамики в обычных обстоятельствах.

Причинная стрела времени

А причина предшествует своему следствию: причинное событие происходит до события, которое оно вызывает или влияет. Например, рождение следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени.

An эпистемологический Проблема использования причинности как стрелы времени состоит в том, что Дэвид Хьюм сохраняется, причинная связь как таковая не может быть воспринята; воспринимается 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. Контроль над будущее или вызывая что-то, создает корреляции между деятелем и следствием,[11] и поэтому связь между причиной и следствием является результатом термодинамический стрела времени, следствие второго начала 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

Основная статья: Нарушение CP

Определенные субатомные взаимодействия с участием слабая ядерная сила нарушают сохранение обоих паритет и зарядовое сопряжение, но очень редко. Примером может служить Каон разлагаться.[13] Согласно CPT теорема, это означает, что они также должны быть необратимыми во времени и, таким образом, устанавливать стрелу времени. Такие процессы должны нести ответственность за создание материи в ранней вселенной.

То, что сочетание четности и зарядового сопряжения нарушается так редко, означает, что эта стрелка лишь «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, который показал, что нарушение T может быть ответственным за законы сохранения и динамику.[14]

Квантовая стрела времени

Квантовая эволюция регулируется уравнениями движения, которые симметричны во времени (например, Уравнение Шредингера в нерелятивистском приближении) и коллапс волновой функции, который является необратимым во времени процессом и является либо реальным (по Копенгагенская интерпретация из квантовая механика ) или только видимый (по Интерпретация многих миров и Реляционная квантовая механика интерпретация).

Теория Квантовая декогеренция объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично по времени из-за второго закона термодинамики, таким образом выводя квантовую стрелу времени из термодинамическая стрела времени. По сути, следуя за любой частицей рассеяние или взаимодействие между двумя большими системами, относительное фазы Эти две системы сначала связаны упорядоченно, 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 через квантовая суперпозиция, 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 продемонстрировано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила о том, что квантовая стрела времени перевернулась. IBM квантовый компьютер, в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как выходящей из термодинамической.[17]

Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а затем трех сверхпроводящие кубиты, они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер вернулся в исходное состояние.[18] Реверс состояния производился специальной программой, аналогично случайной микроволновый фон колебания в случае электрон.[18] Однако, по оценкам, на всем протяжении возраст вселенной (13,7 миллиарда лет) такое изменение состояния электрона произойдет только один раз, за ​​0,06 миллиарда лет. наносекунды.[18] Эксперимент ученых привел к возможности квантовый алгоритм что меняет данный квантовое состояние через комплексное сопряжение.[17][нечеткий ]

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

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 стрела времени ); 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.[19] и общей сложности, при соответствующем определении,[20] 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 «с нетерпением ждать встречи с вами», «оглянуться назад в старые добрые времена» или «чтобы быть на годы впереди ». Однако эта ассоциация «позади прошлого» и «впереди будущего» определяется культурой.[21] Например, Язык аймара связывает «впереди прошлое» и «позади будущее» как в терминологии, так и в терминах жестов, соответствующих наблюдаемому прошлому и ненаблюдаемому будущему.[22][23] Точно так же Китайский термин «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 существуют противоречивые выводы о том, воспринимают ли они эго как впереди или позади прошлого.[24][25] Нет языков, в которых прошлое и будущее располагаются на оси слева направо (например, в английском языке нет выражения, такого как * встреча перенесена влево), хотя, по крайней мере, англоговорящие люди связывают прошлое с левым, а будущее с правым.[21]

Слова «вчера» и «завтра» переводятся в одно и то же слово в хинди: कल ("кал"),[26] что означает «[один] день от сегодняшнего».[27] Неоднозначность разрешается глагольным временем. परसों («parsoⁿ») используется как для «позавчера», так и для «послезавтра» или «два дня от сегодняшнего дня».[28] नरसों («нарсоⁿ») используется для обозначения «три дня от сегодняшнего дня».[29]

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. От Рубайят:

Движущийся палец пишет; и, имея приказ,
Двигается дальше: ни все благочестие, ни остроумие.
Заманим его обратно, чтобы отменить половину строки,
Ни все твои слезы не смывают этого слова.

— Омар Хайям (перевод Эдвард Фицджеральд ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вайнерт, Фридель (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 Время и шанс
  3. ^ Туйску, П .; Pernu, T.K .; Аннила, А. (2009). "В свете времени". Труды Королевского общества А. 465 (2104): 1173–1198. Bibcode:2009RSPSA.465.1173T. Дои:10.1098 / rspa.2008.0494.
  4. ^ А. Б. Пиппард, Элементы химической термодинамики для продвинутых студентов-физиков (1966), с.100.
  5. ^ Блюм, Гарольд Ф. (1951). Стрела времени и эволюция (Первое изд.). ISBN  978-0-691-02354-0.
  6. ^ Моровиц, Гарольд Дж. (Сентябрь 1969 г.). «Рецензия на книгу: стрела времени и эволюция: третье издание». Икар. 11 (2): 278–279. Bibcode:1969Icar ... 11..278M. Дои:10.1016/0019-1035(69)90059-1. ЧВК  2599115.
  7. ^ McN., W. P. (ноябрь 1951 г.). «Рецензия на книгу: стрела времени и эволюция». Йельский журнал биологии и медицины. 24 (2): 164. ЧВК  2599115.
  8. ^ Сасскинд, Леонард. «Больцман и стрела времени: недавняя перспектива». Корнелл Университет. Корнелл Университет. Получено 1 июня, 2016.
  9. ^ Матиас Финк (30 ноября 1999 г.). "Обращенная во времени акустика" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 31 декабря 2005 г.. Получено 27 мая 2016.
  10. ^ 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 времениС. 109–111.
  12. ^ Физические истоки асимметрии времени, Глава 6
  13. ^ "Дома". 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. Дои:10.1098 / rspa.2015.0670. ЧВК  4786044. PMID  26997899.
  15. ^ а б Шлосхауэр, М. (2005). Декогеренция, проблема измерения и интерпретации квантовой механики. Обзоры современной физики, 76 (4), 1267.
  16. ^ Вулховер, Натали (25 апреля 2014 г.). «Новая квантовая теория может объяснить течение времени» - через www.wired.com.
  17. ^ а б 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. Дои:10.1038 / s41598-019-40765-6. ЧВК  6416338. PMID  30867496. S2CID  3527627.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  18. ^ а б c «Физики обращают время вспять с помощью квантового компьютера». Phys.org. 13 марта 2019 г.. Получено 13 марта 2019.
  19. ^ Эспозито М., Линденберг К. и Ван ден Брок К. (2010). Производство энтропии как взаимосвязь между системой и резервуаром. Новый журнал физики, 12 (1), 013013.
  20. ^ Ladyman, J .; Lambert, J .; Вайснер, К. Что такое сложная система? Евро. J. Philos. Sci. 2013, 3, 33–67.
  21. ^ а б 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. Дои:10.3758 / s13421-011-0162-4. ISSN  1532-5946. PMID  22160871.
  22. ^ Для племени Анд это назад в будущее - Проверено 26 сентября 2006 г.
  23. ^ Нуньес Рафаэль Э., Sweetser Eve. «С будущим за ними: конвергентные данные из языка аймара и жестов в кросслингвистическом сравнении пространственных конструктов времени» (PDF). Департамент когнитивных наук Калифорнийского университета в Сан-Диего. Получено 8 марта 2020.
  24. ^ 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». Наука о мышлении. 43 (12): e12804. Дои:10.1111 / винтики.12804. ISSN  1551-6709. ЧВК  6916330. PMID  31858627.
  25. ^ mbdg.net Китайско-английский словарь - по состоянию на 11 января 2017 г.
  26. ^ Бахри, Хардев (1989). Хинди-английский словарь для учащихся. Дели: Раджпал и сыновья. п. 95. ISBN  978-81-7028-002-6.
  27. ^ Алексиаду, Артемида (1997). Размещение наречий: пример антисимметричного синтаксиса. Амстердам [u.a.]: Беньямин. п. 108. ISBN  978-90-272-2739-3.
  28. ^ Hindi-English.org хинди английский словарь परसों - по состоянию на 11 января 2017 г.
  29. ^ Shabdkosk.Raftaar.in Словарь хинди английского языка नरसों - по состоянию на 11 января 2017 г.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка