Принцип непротиворечивости Новикова - Википедия - Novikov self-consistency principle

В Принцип непротиворечивости Новикова, также известный как Гипотеза Новикова о самосогласованности и Ларри Нивен с закон сохранения истории, это принцип разработан российским физиком Игорь Дмитриевич Новиков в середине 1980-х гг. Новиков намеревался решить проблему парадоксы в путешествие во времени, что теоретически разрешено в некоторых решениях общая теория относительности которые содержат то, что известно как замкнутые времяподобные кривые. Принцип утверждает, что если существует событие, которое может вызвать парадокс или какое-либо «изменение» в прошлом, тогда вероятность этого события равно нулю. Таким образом, было бы невозможно создать временные парадоксы.

История

Физикам давно известно, что некоторые решения общей теории относительности содержат замкнутые времяподобные кривые - например, Метрика Гёделя. Новиков обсуждал возможность замкнутых времениподобных кривых (СТК) в своих книгах 1975 и 1983 годов.[1] высказывая мнение, что разрешены только последовательные путешествия назад во времени.[2] В статье Новикова и некоторых других авторов "Задача Коши в пространстве-времени с замкнутыми времениподобными кривыми" 1990 г.[3] авторы заявляют:

Единственный тип нарушения причинно-следственной связи, который авторы сочли бы неприемлемым, - это нарушение, воплощенное в научно-фантастической концепции движения назад во времени и убийства своего более молодого я («изменение прошлого»). Несколько лет назад один из нас (Новиков10) кратко рассмотрел возможность существования ЦКО и утверждал, что они не могут повлечь за собой этот тип нарушения причинности: события в ЦКО уже гарантированно самосогласованы, утверждал Новиков; они влияют друг на друга по замкнутой кривой саморегулирующимся, циклическим, самосогласованным образом. Другие авторы недавно пришли к той же точке зрения.

Мы воплотим эту точку зрения в принцип непротиворечивости, в котором говорится, что единственные решения законов физики, которые могут иметь место локально в реальной Вселенной, - это глобально самосогласованные решения. Этот принцип позволяет построить локальное решение уравнений физики только в том случае, если это локальное решение может быть расширено до части (не обязательно единственного) глобального решения, которое хорошо определено во всех неособых областях пространства-времени.

Среди соавторов этой статьи 1990 г. были Кип Торн, Майк Моррис, и Ульви Юрцевер, которые в 1988 году возродили интерес к теме путешествий во времени в общей теории относительности своей статьей «Червоточины, машины времени и состояние слабой энергии»,[4] который показал, что новое решение общей теории относительности, известное как проходимая червоточина может привести к замкнутым времениподобным кривым и, в отличие от предыдущих решений, содержащих ЦОК, не требует нереалистичных условий для Вселенной в целом. После обсуждения с другим соавтором статьи 1990 года, Джоном Фридманом, они убедили себя, что путешествия во времени не обязательно приводят к неразрешимым парадоксам, независимо от объекта, отправленного через червоточину.[5]:509

«Парадокс Полчинского»
Эчеверрия и резолюция Клинкхаммера

В ответ физик Джозеф Полчински написал им письмо, в котором утверждалось, что можно избежать проблемы свободы воли, используя потенциально парадоксальный мысленный эксперимент, включающий бильярдный шар отправлено назад во времени через червоточину. В сценарии Полчинского бильярдный шар запускается в червоточина под таким углом, что, если он продолжит свой путь, он выйдет в прошлом под правильным углом, чтобы столкнуться со своим предыдущим «я», сбив его с пути и не дав ему войти в червоточину. Торн называл бы этот сценарий "Парадокс полчинского "в 1994 году.[6]:510–511

Рассмотрев сценарий, Фернандо Эчеверрия и Гуннар Клинкхаммер, двое студентов Калтех (где учил Торн), пришли к решению проблемы, в котором удалось избежать любых несоответствий. В пересмотренном сценарии мяч появляется из будущего под другим углом, чем тот, который порождает парадокс, и наносит скользящий удар своему младшему я вместо того, чтобы полностью отбросить его от червоточины. Этот удар изменяет свою траекторию на нужную степень, а это означает, что он отправится назад во времени под углом, необходимым для того, чтобы нанести своему младшему «я» необходимый скользящий удар. Эчеверрия и Клинкхаммер фактически обнаружили, что существует более чем одно самосогласованное решение с немного разными углами скользящего удара в каждой ситуации. Более поздний анализ Торна и Роберт Форвард проиллюстрировал, что для определенных начальных траекторий бильярдного шара на самом деле может существовать бесконечное количество самосогласованных решений.[6]:511–513

Эчеверрия, Клинкхаммер и Торн опубликовали статью, в которой обсуждались эти результаты в 1991 г .;[7] кроме того, они сообщили, что пытались выяснить, смогут ли они найти любой начальные условия для бильярдного шара, для которых не было самосогласованных расширений, но они не могли этого сделать. Таким образом, вполне вероятно, что существуют самосогласованные расширения для каждой возможной начальной траектории, хотя это не было доказано.[8]:184 Это применимо только к начальным условиям за пределами нарушающей хронологию области пространства-времени,[8]:187 который ограничен Горизонт Коши.[9] Это может означать, что принцип самосогласования Новикова на самом деле не накладывает никаких ограничений на системы за пределами области пространства-времени, где путешествия во времени возможны, а только внутри нее.

Даже если самосогласованные расширения могут быть найдены для произвольных начальных условий за пределами горизонта Коши, открытие того, что может быть несколько различных самосогласованных расширений для одного и того же начального условия - действительно, Эчеверриа и др. нашли бесконечное количество последовательных расширений для каждой начальной траектории, которую они проанализировали[8]:184- может рассматриваться как проблема, поскольку в классическом понимании кажется, что нет способа решить, какое расширение выберут законы физики. Чтобы обойти эту трудность, Торн и Клинкхаммер проанализировали сценарий бильярдного шара с помощью квантовой механики,[6]:514–515 выполнение квантово-механической суммы по историям (интеграл по путям ), используя только согласованные расширения, и обнаружил, что это приводит к хорошо определенной вероятности для каждого согласованного расширения. Авторы Задача Коши в пространстве-времени с замкнутыми времениподобными кривыми записывать:

Самый простой способ навязать принцип самосогласованности в квантовой механике (в классическом пространстве-времени) - это формулировка суммы по историям, в которую включаются все те и только те истории, которые самосогласованы. Оказывается, что, по крайней мере формально (по модулю таких вопросов, как сходимость суммы), при любом выборе нерелятивистской начальной точки бильярдного шара волновая функция перед Горизонт Коши такая сумма по историям дает уникальные, самосогласованные вероятности результатов всех наборов последующих измерений. ... Мы подозреваем, в более общем плане, что для любой квантовой системы в классическом пространстве-времени кротовой норы со стабильным горизонтом Коши сумма по всем самосогласованным историям даст уникальные самосогласованные вероятности результатов всех наборов измерений, которые можно сделать выбор.

Предположения

Принцип непротиворечивости Новикова предполагает определенные условия о возможном путешествии во времени. В частности, предполагается, что существует только один график, или что любые альтернативные сроки (например, установленные многомировая интерпретация из квантовая механика ) недоступны.

Принимая во внимание эти предположения, ограничение, согласно которому путешествия во времени не должны приводить к противоречивым результатам, можно рассматривать просто как тавтология, самоочевидная истина, которая не может быть ложной. Однако принцип самосогласованности Новикова призван выйти за рамки простого утверждения о том, что история должна быть последовательной, и делает дополнительное нетривиальное предположение, что Вселенная подчиняется тем же локальным законам физики в ситуациях, связанных с путешествиями во времени, что и в областях пространства. время, в котором отсутствуют замкнутые времениподобные кривые. Это разъясняется в упомянутой выше "задаче Коши в пространствах-времени с замкнутыми времениподобными кривыми",[3] где авторы пишут:

То, что принцип самосогласованности не является полностью тавтологическим, становится ясно, если рассмотреть следующую альтернативу: законы физики могут допускать СТС; и когда происходят СТК, они могут запускать новые виды локальной физики, с которыми мы раньше не встречались. ... Принцип непротиворечивости призван исключить такое поведение. Он настаивает на том, что локальная физика регулируется теми же типами физических законов, с которыми мы имеем дело в отсутствие СТС: законами, которые влекут за собой самосогласованную однозначность полей. По сути, принцип самосогласования - это принцип отсутствия новой физики. Если кто-то с самого начала склонен игнорировать или сбрасывать со счетов возможность новой физики, тогда он будет рассматривать самосогласованность как тривиальный принцип.

Последствия для путешественников во времени

Допущения принципа самосогласованности можно распространить на гипотетические сценарии, в которых участвуют разумные путешественники во времени, а также неразумные объекты, такие как бильярдные шары. Авторы «задачи Коши в пространстве-времени с замкнутые времяподобные кривые "прокомментировал проблему в заключении статьи, написав:

Если CTCs разрешены, и если вышеупомянутое видение согласования с ними теоретической физики окажется более или менее правильным, то что это будет означать для философского понятия свободы воли для людей и других разумных существ? Это определенно будет означать, что разумные существа не могут изменить прошлое. Такое изменение несовместимо с принципом непротиворечивости. Следовательно, любое существо, прошедшее через червоточину и попытавшееся изменить прошлое, не сможет осуществить это изменение по физическому закону; т.е. "свободная воля" существа будет ограничена. Хотя это ограничение имеет более глобальный характер, чем ограничения свободы воли, вытекающие из стандартных, местных законов физики, для нас не очевидно, что это ограничение более жесткое, чем ограничения, налагаемые стандартным физическим законом.[3]

Точно так же физик и астроном Дж. Крейг Уиллер заключает, что:

Согласно гипотезе согласованности, любые сложные межличностные взаимодействия должны происходить самосогласованно, чтобы не было парадокса. Это решение. Буквально это означает, что если машины времени существуют, то свободной воли быть не может. Вы не можете заставить себя убить себя, если вы отправитесь в прошлое. Вы можете сосуществовать, пойти выпить пива, отпраздновать свой день рождения вместе, но каким-то образом обстоятельства будут диктовать вам, что вы не можете вести себя так, чтобы со временем привести к парадоксу. Новиков поддерживает эту точку зрения еще одним аргументом: физика уже ежедневно ограничивает вашу свободу воли. Вы можете заставить себя летать или пройти сквозь бетонную стену, но физика гравитации и конденсированного состояния диктует, что вы не можете этого сделать. Почему, спрашивает Новиков, ограничение последовательности, наложенное на путешественника во времени, отличается?[10]

Логика временной петли

Основная статья: Время цикла

Логика временной петли, изобретенная робототехник и футурист Ганс Моравец,[11] это гипотетическая система вычислений, которая использует принцип самосогласованности Новикова для вычисления ответов намного быстрее, чем это возможно при стандартной модели вычислительная сложность с помощью Машины Тьюринга. В этой системе компьютер отправляет результат вычисления назад во времени и полагается на принцип самосогласованности, чтобы заставить отправленный результат быть правильным, при условии, что машина может надежно получать информацию из будущего и при условии, что алгоритм и лежащий в основе механизм формально правильный. Неверный результат или его отсутствие все равно может быть получено, если нет гарантии, что механизм или алгоритм путешествия во времени будут точными.

Простой пример - итерационный метод алгоритм. Моравец заявляет:

Сделайте вычислительный блок, который принимает входные данные, которые представляют собой приблизительное решение некоторой проблемы, и производят выходные данные, которые являются улучшенным приближением. Обычно вы применяете такое вычисление несколько раз конечное число раз, а затем соглашаетесь на лучший, но все же приблизительный результат. При соответствующей отрицательной задержке возможно что-то еще: [...] результат каждой итерации функции возвращается во времени, чтобы служить «первым» приближением. Как только машина активируется, так называемая «фиксированная точка» F, вход, который дает идентичный выходной сигнал, обычно сигнализирующий об идеальном ответе, появляется (по необычайному совпадению!) Немедленно и устойчиво. [...] Если итерация не сходится, то есть, если F не имеет фиксированной точки, компьютерные выходы и входы отключатся или будут зависать в маловероятном промежуточном состоянии.

Квантовые вычисления с отрицательной задержкой

Физик Дэвид Дойч показали в 1991 году, что эта модель вычислений может решать проблемы NP в полиномиальное время,[12] и Скотт Ааронсон позже расширил этот результат, чтобы показать, что модель также может использоваться для решения PSPACE задачи за полиномиальное время.[13][14] Дойч показывает, что квантовые вычисления с отрицательной задержкой - обратное путешествие во времени - дают только самосогласованные решения, а область, нарушающая хронологию, накладывает ограничения, которые не очевидны с помощью классических рассуждений.[12] В 2014 году исследователи опубликовали симуляцию, в которой утверждают, что подтвердили модель Дойча с фотонами.[15] Однако в статье Толксдорфа и Верха было показано, что условие самосогласования Дойча может быть выполнено с произвольной точностью в любой квантовой системе, описанной в соответствии с релятивистскими принципами. квантовая теория поля даже в пространствах-времени, которые не допускают замкнутых времениподобных кривых, что вызывает сомнения в том, действительно ли модель Дойча характерна для квантовых процессов, моделирующих замкнутые времениподобные кривые в смысле общая теория относительности.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ См. Примечание 10 на стр. 42 Фридмана и др. "Задача Коши в пространстве-времени с замкнутыми времениподобными кривыми"
  2. ^ На стр. 169 Новикова Эволюция Вселенной (1983), который был переводом его русской книги Эволюция Вселенноĭ (1979) комментарий Новикова по этому поводу передан переводчиком М.М. Баско следующим образом: «Закрытие временных кривых не обязательно означает нарушение причинно-следственной связи, поскольку все события вдоль такой замкнутой линии могут быть все« саморегулирующимися »- все они влияют друг на друга через замкнутый цикл и последовательно следуют друг за другом ".
  3. ^ а б c Фридман, Джон; Майкл Моррис; Игорь Новиков; Фернандо Эчеверрия; Гуннар Клинкхаммер; Кип Торн; Ульви Юрцевер (1990). "Задача Коши в пространстве-времени с замкнутыми времениподобными кривыми". Физический обзор D. 42 (6): 1915. Bibcode:1990ПхРвД..42.1915Ф. Дои:10.1103 / PhysRevD.42.1915. PMID  10013039.
  4. ^ Торн, Кип; Майкл Моррис; Ульви Юрцевер (1988). «Червоточины, машины времени и состояние слабой энергии» (PDF). Письма с физическими проверками. 61 (13): 1446–1449. Bibcode:1988ПхРвЛ..61.1446М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.61.1446. PMID  10038800.
  5. ^ Торн, Кип С. (1994). Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна. W.W. Нортон. стр.510 –. ISBN  978-0-393-31276-8. Парадокс Полчинского.
  6. ^ а б c Торн, Кип С. (1994). Черные дыры и искажения времени. W. W. Norton. ISBN  0-393-31276-3.
  7. ^ Эчеверрия, Фернандо; Гуннар Клинкхаммер; Кип Торн (1991). «Бильярдные шары в пространстве-времени кротовой норы с замкнутыми времениподобными кривыми: классическая теория». Физический обзор D. 44 (4): 1077. Bibcode:1991ПхРвД..44.1077Э. Дои:10.1103 / PhysRevD.44.1077.
  8. ^ а б c Эрман, Джон (1995). Взрывы, хруст, хныканье и визги: сингулярности и некаузальности в релятивистском пространстве-времени. Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-509591-X.
  9. ^ Нахин, Пол Дж. (1999). Машины времени: путешествия во времени в физике, метафизике и научной фантастике. Американский институт физики. п. 508. ISBN  0-387-98571-9.
  10. ^ Уиллер, Дж. Крейг (2007). Космические катастрофы: взрывающиеся звезды, черные дыры и нанесение на карту Вселенной (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 294–295. ISBN  978-0521857147.
  11. ^ Моравец, Ганс (1991). «Путешествие во времени и вычисления». Архивировано из оригинал на 2009-01-29. Получено 2008-07-28.
  12. ^ а б Дойч, Дэвид (1991). «Квантовая механика около замкнутых времениподобных линий». Физический обзор D. 44 (10): 3197–3217. Bibcode:1991ПхРвД..44.3197Д. Дои:10.1103 / PhysRevD.44.3197. PMID  10013776.
  13. ^ Ааронсон, Скотт (март 2008 г.). «Пределы квантовых компьютеров» (PDF). Scientific American: 68–69 - через scottaaronson.com.
  14. ^ Ааронсон, Скотт; Уотроус, Джон (2009). «Замкнутые времяподобные кривые делают квантовые и классические вычисления эквивалентными» (PDF). Труды Королевского общества А. 465 (2102): 631–647. arXiv:0808.2669. Bibcode:2009RSPSA.465..631A. Дои:10.1098 / rspa.2008.0350 - через scottaaronson.com.
  15. ^ Рингбауэр, Мартин; Брум, Мэтью А .; Майерс, Кейси Р.; White, Andrew G .; Ральф, Тимоти С. (19 июня 2014 г.). «Экспериментальное моделирование замкнутых времениподобных кривых». Nature Communications. 5: 4145. arXiv:1501.05014. Bibcode:2014 НатКо ... 5E4145R. Дои:10.1038 / ncomms5145. PMID  24942489.
  16. ^ Толксдорф, Юрген; Верч, Райнер (2018). «Квантовая физика, поля и замкнутые времениподобные кривые: условие D-CTC в квантовой теории поля». Коммуникации по математической физике. 357 (1): 319–351. arXiv:1609.01496. Bibcode:2018CMaPh.357..319T. Дои:10.1007 / s00220-017-2943-5.

внешняя ссылка