Загадка времени
Проблема времени всегда была проблемой. Во-первых, даже выдающимся умам было трудно понять, что такое время на самом деле. Сегодня, когда нам кажется, что мы в какой-то мере это понимаем, многие считают, что без нее, по крайней мере, в традиционном понимании, будет комфортнее.
«» Написал Исаак Ньютон. Он считал, что время можно по-настоящему понять только математически. Для него одномерное абсолютное время и трехмерная геометрия Вселенной были самостоятельными и отдельными аспектами объективной реальности, и в каждый момент абсолютного времени все события во Вселенной происходили одновременно.
С помощью своей специальной теории относительности Эйнштейн лишил понятие одновременного времени. Согласно его идее, одновременность не является абсолютным отношением между событиями: то, что одновременно в одной системе отсчета, не обязательно будет одновременно в другой.
Примером понимания времени Эйнштейном является мюон из космических лучей. Это нестабильная субатомная частица со средним временем жизни 2,2 микросекунды. Он формируется в верхних слоях атмосферы, и хотя мы ожидаем, что он пролетит всего 660 метров (при скорости света 300 000 км/с) до распада, эффекты замедления времени позволяют космическим мюонам пролететь более 100 километров к поверхности Земли. и дальше. . В системе отсчета с Землей мюоны живут дольше из-за их высокой скорости.
В 1907 году бывший учитель Эйнштейна Герман Минковский представил пространство и время как. Пространство-время ведет себя как сцена, в которой частицы движутся во Вселенной относительно друг друга. Однако эта версия пространства-времени была неполной (смотрите также: ). Она не включала гравитацию, пока Эйнштейн не представил общую теорию относительности в 1916 году. Ткань пространства-времени непрерывна, гладка, искривлена и деформирована присутствием материи и энергии (2). Гравитация — это искривление Вселенной, вызванное массивными телами и другими формами энергии, которое определяет путь, по которому движутся объекты. Эта кривизна является динамической, движущейся по мере движения объектов. Как говорит физик Джон Уилер, «пространство-время захватывает массу, указывая ей, как двигаться, а масса захватывает пространство-время, указывая ему, как искривляться».
2. Пространство-время Эйнштейна
Время и квантовый мир
Общая теория относительности считает течение времени непрерывным и относительным, а течение времени считает универсальным и абсолютным в выбранном срезе. В 60-х годах успешная попытка объединить ранее несовместимые идеи, квантовую механику и общую теорию относительности привела к тому, что известно как уравнение Уилера-Де-Витта, шаг к теории квантовая гравитация. Это уравнение решило одну проблему, но создало другую. Время не играет никакой роли в этом уравнении. Это привело к большому спору среди физиков, которые они называют проблемой времени.
Карло Ровелли (3), у современного итальянского физика-теоретика есть определенное мнение по этому поводу. «, — написал он в книге «Тайна времени».
3. Карло Ровелли и его книга
Те, кто согласен с копенгагенской интерпретацией квантовой механики, считают, что квантовые процессы подчиняются уравнению Шредингера, которое симметрично во времени и возникает из волнового коллапса функции. В квантовомеханической версии энтропии при изменении энтропии течет не тепло, а информация. Некоторые квантовые физики утверждают, что нашли первоисточник стрелы времени. Они говорят, что энергия рассеивается, а объекты выравниваются, потому что элементарные частицы связываются при взаимодействии в форме «квантовой запутанности». Эйнштейн вместе со своими коллегами Подольски и Розеном счел такое поведение невозможным, поскольку оно противоречит локальному реалистическому взгляду на причинно-следственную связь. Как могут частицы, расположенные вдали друг от друга, сразу взаимодействовать друг с другом, спрашивали они.
В 1964 году он разработал экспериментальный тест, опровергший утверждения Эйнштейна о так называемом скрытые переменные. Следовательно, распространено мнение, что информация действительно распространяется между запутанными частицами, потенциально быстрее, чем может двигаться свет. Насколько нам известно, время не существует для запутанные частицы (4).
Группа физиков из Еврейского университета под руководством Эли Мегидиша в Иерусалиме сообщила в 2013 году, что им удалось запутать фотоны, которые не сосуществовали во времени. Во-первых, на первом этапе они создали запутанную пару фотонов, 1-2. Вскоре после этого они измерили поляризацию фотона 1 (свойство, описывающее направление колебания света) — тем самым «убив» его (этап II). Фотон 2 был отправлен в путешествие, а образовалась новая запутанная пара 3-4 (шаг III). Затем фотон 3 измерялся вместе с путешествующим фотоном 2 таким образом, чтобы коэффициент запутанности «менялся» со старых пар (1-2 и 3-4) на новый комбинированный 2-3 (шаг IV). Некоторое время спустя (этап V) измеряется полярность единственного выжившего фотона 4, и результаты сравниваются с поляризацией давно мертвого фотона 1 (назад на этапе II). Результат? Данные выявили наличие квантовых корреляций между фотонами 1 и 4, «временно нелокальными». Это означает, что запутанность может возникнуть в двух квантовых системах, которые никогда не сосуществовали во времени.
Мегидиш и его коллеги не могут не размышлять о возможных интерпретациях их результатов. Возможно, измерение поляризации фотона 1 на шаге II каким-то образом направляет будущую поляризацию 4, или измерение поляризации фотона 4 на шаге V каким-то образом переписывает предыдущее состояние поляризации фотона 1. Как в прямом, так и в обратном направлении квантовые корреляции распространяются на причинная пустота между смертью одного фотона и рождением другого.
Что это может означать в макромасштабе? Ученые, обсуждая возможные последствия, говорят о возможности того, что наши наблюдения за звездным светом каким-то образом продиктовали поляризацию фотонов 9 миллиардов лет назад.
Пара американских и канадских физиков, Мэтью С. Лейфер из Университета Чепмена в Калифорнии и Мэтью Ф. Пьюзи из Периметрового института теоретической физики в Онтарио, несколько лет назад заметили, что если мы не будем придерживаться того факта, что Эйнштейн. Измерения, проведенные на частице, могут отразиться в прошлом и будущем, что в этой ситуации становится неактуальным. Переформулировав некоторые базовые предположения, ученые разработали модель, основанную на теореме Белла, в которой пространство преобразуется во время. Их расчеты показывают, почему, предполагая, что время всегда впереди, мы спотыкаемся о противоречия.
Согласно Карлу Ровелли, наше человеческое восприятие времени неразрывно связано с тем, как ведет себя тепловая энергия. Почему мы знаем только прошлое, а не будущее? Ключ, как предполагает ученый, однонаправленный поток тепла от более теплых объектов к более холодным. Кубик льда, брошенный в горячую чашку кофе, охлаждает кофе. Но процесс необратим. Человек, как некая «термодинамическая машина», следует этой стреле времени и не в состоянии понять иное направление. «Но если я наблюдаю микроскопическое состояние, — пишет Ровелли, — разница между прошлым и будущим исчезает… в элементарной грамматике вещей нет различия между причиной и следствием».
Время, измеряемое в квантовых долях
Или, может быть, время можно квантовать? Недавно появившаяся новая теория предполагает, что наименьший мыслимый интервал времени не может превышать одну миллионную миллиардной миллиардной доли секунды. Теория следует концепции, которая, по крайней мере, является основным свойством часов. По мнению теоретиков, последствия этого рассуждения могут помочь в создании «теории всего».
Концепция квантового времени не нова. Модель квантовой гравитации предлагает, чтобы время было квантовано и имело определенную скорость тиканья. Этот тикающий цикл является универсальной минимальной единицей, и ни одно измерение времени не может быть меньше этого. Это было бы так, как если бы в основании Вселенной существовало поле, определяющее минимальную скорость движения всего в ней, придающее массу другим частицам. В случае с этими универсальными часами «вместо того, чтобы давать массу, они будут давать время», объясняет один физик, который предлагает квантовать время, Мартин Бойовальд.
Смоделировав такие универсальные часы, он и его коллеги из Пенсильванского государственного колледжа США показали, что это будет иметь значение для искусственных атомных часов, которые используют атомные колебания для получения наиболее точных известных результатов. измерения времени. Согласно этой модели, ход атомных часов (5) иногда не синхронизировался с ходом универсальных часов. Это ограничило бы точность измерения времени одними атомными часами, а это означает, что два разных атомных часа могут в конечном итоге не совпадать по продолжительности прошедшего периода. Учитывая, что наши лучшие атомные часы согласуются друг с другом и могут измерять тики до 10-19 секунд, или одной десятой миллиардной миллиардной доли секунды, основная единица времени не может быть больше 10-33 секунд. Таковы выводы статьи по этой теории, появившейся в июне 2020 года в журнале «Physical Review Letters».
5. Атомные часы на основе лютеция в Национальном университете Сингапура.
Проверка того, существует ли такая базовая единица времени, выходит за рамки наших нынешних технологических возможностей, но все же кажется более доступной, чем измерение планковского времени, которое составляет 5,4 × 10–44 секунды.
Эффект бабочки не работает!
Удаление времени из квантового мира или его квантование — это может иметь интересные последствия, но будем честны, массовое воображение движет чем-то другим, а именно путешествиями во времени.
Около года назад профессор физики Университета Коннектикута Рональд Маллетт сообщил CNN, что написал научное уравнение, которое можно использовать в качестве основы для машина реального времени. Он даже построил устройство, чтобы проиллюстрировать ключевой элемент теории. Он считает, что теоретически возможно превращая время в петлючто позволило бы путешествовать во времени в прошлое. Он даже построил прототип, показывающий, как лазеры могут помочь в достижении этой цели. Следует отметить, что коллеги Маллетта не уверены, что его машина времени когда-либо материализуется. Даже Маллетт признает, что его идея на данный момент полностью теоретическая.
В конце 2019 года New Scientist сообщил, что физики Барак Шошани и Джейкоб Хаузер из Института периметра в Канаде описали решение, в котором человек теоретически может путешествовать из одного Лента новостей ко второму, проходя через отверстие в пространство-время или туннель, как они говорят, «математически возможный». Эта модель предполагает наличие различных параллельных вселенных, в которых мы можем перемещаться, и имеет серьезный недостаток — путешествия во времени не влияют на собственную временную шкалу путешественников. Таким образом, вы можете влиять на другие континуумы, но тот, с которого мы начали путешествие, остается неизменным.
А так как мы находимся в пространственно-временных континуумах, то с помощью квантовый компьютер Чтобы смоделировать путешествие во времени, ученые недавно доказали, что в квантовой сфере нет «эффекта бабочки», который можно увидеть во многих научно-фантастических фильмах и книгах. В экспериментах на квантовом уровне, поврежденные, кажущиеся почти неизменными, как будто реальность исцеляет себя. Работа на эту тему появилась этим летом в “Psysical Review Letters”. «На квантовом компьютере нет проблем ни с симуляцией противоположной эволюции во времени, ни с симуляцией процесса смещения процесса назад в прошлое», — пояснил Миколай Синицын, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории и соавтор исследования. работай. «Мы действительно можем увидеть, что происходит со сложным квантовым миром, если вернемся назад во времени, добавим немного повреждений и вернемся назад. Мы обнаруживаем, что наш первобытный мир уцелел, а значит, в квантовой механике нет эффекта бабочки».
Это большой удар для нас, но, возможно, и хорошая новость для нас. Пространственно-временной континуум сохраняет целостность, не позволяя небольшим изменениям его разрушить. Почему? Это интересный вопрос, но немного другая тема, чем время как таковое.
