Что есть время?

Физик Махди Госазгар о временной оси, уравнении Шредингера и теории относительности Эйнштейна

Время — это то, что мы испытываем на себе ежедневно; определяемое такими понятиями как прошлое, настоящее и будущее. Его движение выражается в нашем перманентном ощущении будущего, переходящего в настоящее, с одновременным смещением настоящего в прошлое. Фактически, без концепции времени невозможно было бы говорить о динамике и движении. В каком-то смысле это очень схоже с нашим ощущением пространства. Насколько обыденным является вопрос о местоположении чего-либо, настолько же естественно спросить о времени его возникновения. Таким образом, время и система координат являются маркёрами для определения событий. Так или иначе, ясно одно — время воспринимается абсолютно различным с точки зрения нашего ежедневного опыта. Мы можем беспрепятственно перемещаться в любую координатную точку, но вместе с тем вынуждены следить за течением времени, причем всегда в одном темпе. Сколько бы усилий ни прилагалось, “тиканье” часов всегда одинаково, и будет оставаться таковым. Будущее сменит настоящее, которое, в свою очередь, станет прошлым. Такое каждодневное ощущение времени, воспринимаемое как четкое (и всегда линейное) направление, странным образом не подтверждается фундаментальными законами природы и остается головоломкой для теоретической фундаментальной физики.

Время в классической и квантовой механике

В классической физике время абсолютно и неизменно. Все часы идут с одной скоростью, и все ощущают время одинаково. В этом случае, концепция времени очень схожа с нашим ежедневным восприятием. Однако важным является то, что классическая физика не определяет временную ось. Обратное течение процесса или события столь же справедливо, как и исходный временной процесс. В рамках законов классической физики нет разницы между ходьбой вверх по улице и спуском вниз.

В вопросе понятия времени квантовая механика схожа с классической физикой. Время также протекает фоном с одинаковой постоянной скоростью и служит маркером, определяющим событие. Конечно, наряду с центральным уравнением квантовой механики — уравнением Шрёдингера, согласно которому время симметрично, — оказывается концепция коллапса волновой функции. Эта идея является ключевым различием между классической физикой и квантовой механикой и закрепляет, что состояние рассматриваемой системы можно определить лишь после того, как произойдет его внешнее наблюдение. Таким образом, коллапс волновой функции — это процесс, устраняющий квантовую неопределенность. Это может наивно показаться время-асимметричным процессом. Так или иначе, учитывая, что механизм, приводящий к коллапсу волновой функции, плохо изучен, трудно свести его к обоснованному определению стрелы времени. В частности, существуют убедительные аргументы в пользу того, что фактически этот процесс обращения времени является симметричным.

Время и теория относительности

Теорией, полностью перевернувшей наше представление о времени, стала теория относительности Эйнштейна. Относительность закрепляет, что течение времени не едино и зависит от того, кто его измеряет. В этой картине реальности часы идут с разной скоростью, зависящей от их обладателя. Посредством ускорения до высочайших скоростей или находясь под воздействием сильных гравитационных сил, таких как вблизи черных дыр, можно изменить скорость течения времени, остановить его или даже повернуть вспять, по крайней мере, теоретически. Например, для человека, находящегося внутри черной дыры, время и пространство меняются местами. В этом случае происходит погружение в сингулярность черной дыры, и такие обстоятельства становятся такими же “естественными”, как и однонаправленное течение времени вне черной дыры. Время становится еще одним направлением пространства, как право и лево.

Относительность ставит время наравне с пространственной ориентацией, используемой нами; направления в пространстве не абсолютны и могут быть изменены, из чего следует, что и время может “искривляться” под внешним воздействием. Так или иначе, в теории относительности уравнения также время-симметричны и не определяют конкретную временную направленность.

Стрела времени

Одна особенность объединяют классическую, квантовую теории и теорию относительности — ни одна из них не определяет принцип временной стрелы. Конечно, решения ключевых уравнений этих теорий могут разрушить концепцию временной симметрии, но сами по себе они являются время-симметричными. Так откуда берет истоки асимметрия времени, которую мы испытываем на себе ежедневно?

На большинство вопросов о временной асимметрии отвечает термодинамика. В частности, второй закон термодинамики закрепляет, что энтропия (грубо говоря — величина неопределенности) системы со временем увеличивается. Следствием этого закона является, например, то, что мы не можем увидеть, как согреваемая лучами солнца лужа воды начнет формироваться в ледяную глыбу с постепенно нагревающейся поверхностью. Необходимо подчеркнуть, что этот закон — скорее статистическое заключение, нежели строгий математический результат, выведенный из уравнения фундаментальной физики. Почему такой статистический закон считается достоверным и как это связано с фундаментальными природными теориями — предмет “проблемы стрелы времени”.

Автор: Mahdi Godazgar

Оригинал: Serious science

Перевод: Арина Черных

Welcome to a place where words matter. On Medium, smart voices and original ideas take center stage - with no ads in sight. Watch
Follow all the topics you care about, and we’ll deliver the best stories for you to your homepage and inbox. Explore
Get unlimited access to the best stories on Medium — and support writers while you’re at it. Just $5/month. Upgrade