Strzałka czasu - Arrow of time

Strzałka czasu , zwany także strzałka czas minął , jest koncepcja positing „kierunek jednokierunkowej” lub „ asymetrii ” w czasie . Został opracowany w 1927 roku przez brytyjskiego astrofizyka Arthura Eddingtona i jest nierozwiązanym zagadnieniem z zakresu fizyki ogólnej . Ten kierunek, według Eddingtona, można określić, badając organizację atomów , cząsteczek i ciał , i narysować na czterowymiarowej relatywistycznej mapie świata („stały blok papieru”).

Uważa się, że procesy fizyczne na poziomie mikroskopowym są całkowicie lub w większości symetryczne w czasie : gdyby kierunek czasu miał się odwrócić, opisujące je twierdzenia teoretyczne pozostałyby prawdziwe. Jednak na poziomie makroskopowym często okazuje się, że tak nie jest: istnieje oczywisty kierunek (lub przepływ ) czasu.

Przegląd

Symetrię czasu ( T-symetria ) można rozumieć po prostu w następujący sposób: gdyby czas był idealnie symetryczny, wideo rzeczywistych wydarzeń wydawałoby się realistyczne, niezależnie od tego, czy jest odtwarzane do przodu, czy do tyłu. Na przykład grawitacja jest siłą odwracalną w czasie. Piłka, która jest podrzucona, zwalnia do zatrzymania i spada to przypadek, w którym nagrania będą wyglądały równie realistycznie do przodu i do tyłu. System jest symetryczny w kształcie litery T. Jednak proces odbijania się piłki i w końcu jej zatrzymania nie jest odwracalny w czasie. Podczas jazdy do przodu energia kinetyczna jest rozpraszana, a entropia wzrasta. Entropia może być jednym z niewielu procesów, które nie są odwracalne w czasie . Zgodnie ze statystycznym pojęciem wzrostu entropii „strzałka” czasu utożsamiana jest ze spadkiem energii swobodnej.

W swojej książce The Big Picture fizyk Sean M. Carroll porównał asymetrię czasu z asymetrią przestrzeni: Podczas gdy prawa fizyczne są ogólnie izotropowe , w pobliżu Ziemi istnieje oczywiste rozróżnienie między „górą” i „dół”, ze względu na bliskość tego ogromnego ciała, które przełamuje symetrię przestrzeni. Podobnie prawa fizyczne są generalnie symetryczne do odwrócenia kierunku czasu, ale w pobliżu Wielkiego Wybuchu (tj. w ciągu pierwszych wielu bilionów lat po nim ) istnieje oczywiste rozróżnienie między „do przodu” i „do tyłu” w czasie, ze względu na względna bliskość do tego szczególnego wydarzenia, która łamie symetrię czasu. Zgodnie z tym poglądem, wszystkie strzały czasu są wynikiem naszej względnej bliskości w czasie do Wielkiego Wybuchu i szczególnych okoliczności, które wtedy istniały. (Ściśle mówiąc, oddziaływania słabe są asymetryczne zarówno w odniesieniu do odbicia przestrzennego, jak i odwrócenia kierunku czasu. Jednak są one posłuszne bardziej skomplikowanej symetrii, która obejmuje obie te cechy.)

Poczęcie przez Eddingtona

W książce The Nature of the Physical World z 1928 roku , która pomogła spopularyzować tę koncepcję, Eddington stwierdził:

Narysujmy arbitralnie strzałkę. Jeśli podążając za strzałką odnajdujemy coraz więcej elementów losowych w stanie świata, to strzałka wskazuje na przyszłość; jeśli losowy element zmniejszy się, strzałka wskazuje przeszłość. To jedyne rozróżnienie znane fizyce . Wynika to od razu, jeśli przyjmiemy nasze fundamentalne twierdzenie, że wprowadzenie losowości jest jedyną rzeczą, której nie można cofnąć. Użyję wyrażenia „strzałka czasu”, aby wyrazić tę jednokierunkową właściwość czasu, która nie ma odpowiednika w przestrzeni.

Eddington następnie podaje trzy punkty, na które warto zwrócić uwagę na temat tej strzałki:

  1. Jest żywo rozpoznawany przez świadomość .
  2. W równym stopniu podkreśla to nasza zdolność rozumowania, która mówi nam, że odwrócenie strzałki uczyniłoby świat zewnętrzny nonsensem.
  3. Nie pojawia się w naukach fizycznych, z wyjątkiem badań nad organizacją pewnej liczby jednostek. (Przez to rozumie, że jest ona obserwowana tylko w entropii, zjawisku mechaniki statystycznej powstającym z systemu).

Według Eddingtona strzałka wskazuje kierunek postępującego wzrostu elementu losowego. Po długiej dyskusji na temat natury termodynamiki dochodzi do wniosku, że jeśli chodzi o fizykę, strzałka czasu jest właściwością samej entropii .

Strzałki

Termodynamiczna strzałka czasu

Strzałka czasu to „jednokierunkowy kierunek” lub „asymetria” czasu. Termodynamiczną strzałkę czasu dostarcza druga zasada termodynamiki , która mówi, że w układzie izolowanym entropia ma tendencję do zwiększania się z czasem. Entropię można uważać za miarę zaburzeń mikroskopowych; zatem drugie prawo implikuje, że czas jest asymetryczny w odniesieniu do ilości porządku w izolowanym systemie: w miarę postępu systemu w czasie staje się on bardziej statystycznie nieuporządkowany. Ta asymetria może być wykorzystana empirycznie do rozróżnienia między przyszłością a przeszłością, chociaż pomiar entropii nie mierzy dokładnie czasu. Również w systemie otwartym entropia może z czasem maleć.

Brytyjski fizyk sir Alfred Brian Pippard napisał: „Nie ma zatem uzasadnienia dla poglądu, często powtarzanego, że druga zasada termodynamiki jest tylko statystycznie prawdziwa, w tym sensie, że mikroskopijne naruszenia zdarzają się wielokrotnie, ale nigdy nie dochodzi do naruszeń o jakiejkolwiek poważnej skali. Wręcz przeciwnie, nigdy nie przedstawiono żadnego dowodu, że Drugie Prawo załamuje się w jakichkolwiek okolicznościach”. Istnieje jednak szereg paradoksów związanych z naruszeniem drugiej zasady termodynamiki , jednym z nich jest twierdzenie o rekurencji Poincarégo .

Ta strzałka czasu wydaje się być powiązana ze wszystkimi innymi strzałkami czasu i prawdopodobnie leży u podstaw niektórych z nich, z wyjątkiem słabej strzałki czasu .

Książka Harolda Bluma z 1951 r . Strzała czasu i ewolucja „zbadała związek między strzałką czasu (drugie prawo termodynamiki) a ewolucją organiczną”. Ten wpływowy tekst bada „nieodwracalność i kierunek ewolucji i porządku, negentropii i ewolucji ”. Blum twierdzi, że ewolucja przebiegała według określonych wzorców, z góry określonych przez nieorganiczną naturę ziemi i jej procesy termodynamiczne.

Kosmologiczna strzałka czasu

Kosmologiczna strzałka czasu punktów w kierunku ekspansji wszechświata. Może to być powiązane ze strzałką termodynamiczną, z wszechświatem zmierzającym w kierunku śmierci cieplnej (Wielki Chłód), ponieważ ilość użytecznej energii staje się znikoma. Ewentualnie może to być artefakt naszego miejsca w ewolucji wszechświata (patrz stronniczość antropiczna ), z tą strzałką odwracającą się, gdy grawitacja przyciąga wszystko z powrotem do Wielkiego Zgrzytu .

Jeśli ta strzałka czasu jest powiązana z innymi strzałkami czasu, to przyszłość jest z definicji kierunkiem, w którym wszechświat się powiększa. W ten sposób wszechświat rozszerza się, a nie kurczy, z definicji.

Uważa się, że termodynamiczna strzałka czasu i druga zasada termodynamiki są konsekwencją warunków początkowych we wczesnym wszechświecie. Wynikają zatem ostatecznie z układu kosmologicznego.

Promienista strzałka czasu

Fal, od fal radiowych do fal dźwiękowych do tych na stawie z rzucanie kamieniem, rozszerzać na zewnątrz od ich źródła, choć równania falowe pomieścić rozwiązań fal konwergentnych, jak również te, radiacyjnych. Ta strzałka została odwrócona w starannie opracowanych eksperymentach, które utworzyły fale zbieżne, więc ta strzałka prawdopodobnie wynika ze strzałki termodynamicznej, ponieważ spełnienie warunków do wytworzenia fali zbieżnej wymaga większego uporządkowania niż warunki dla fali radiacyjnej. Innymi słowy, prawdopodobieństwo wystąpienia warunków początkowych, które powodują powstanie fali zbieżnej, jest znacznie niższe niż prawdopodobieństwo wystąpienia warunków początkowych, które wytwarzają falę radiacyjną. W rzeczywistości, normalnie fala radiacyjna zwiększa entropię, podczas gdy fala zbieżna ją zmniejsza, co w zwykłych okolicznościach powoduje, że ta ostatnia jest sprzeczna z drugą zasadą termodynamiki.

Przyczynowa strzałka czasu

Przyczyna poprzedza jego działanie: zdarzenie przyczynowy występuje przed zdarzeniem powoduje ona lub dotyka. Na przykład poród następuje po pomyślnym poczęciu, a nie odwrotnie. Tak więc przyczynowość jest ściśle związana ze strzałą czasu.

Epistemologiczny problem z użyciem przyczynowości jako strzałka czasu jest to, że, jak David Hume utrzymuje, zależność przyczynowa per se nie mogą być postrzegane; postrzega się tylko sekwencje wydarzeń. Co więcej, zaskakująco trudno jest jasno wyjaśnić, co tak naprawdę oznaczają terminy przyczyna i skutek, lub zdefiniować zdarzenia, do których się odnoszą. Wydaje się jednak oczywiste, że przyczyną jest upuszczenie kubka z wodą, a skutkiem jest rozbicie kubka i rozlanie wody.

Fizycznie rzecz biorąc, uważa się, że korelacje między systemem a jego otoczeniem wzrastają wraz z entropią i wykazano, że są jej równoważne w uproszczonym przypadku skończonego systemu oddziałującego ze środowiskiem. Założenie o niskiej entropii początkowej jest rzeczywiście równoważne założeniu braku początkowych korelacji w systemie; zatem korelacje mogą być tworzone tylko w miarę postępu w czasie, a nie wstecz. Kontrolowanie przyszłości lub powodowanie, że coś się wydarzy, tworzy korelacje między sprawcą a skutkiem, a zatem związek między przyczyną a skutkiem jest wynikiem termodynamicznej strzałki czasu, konsekwencją drugiej zasady termodynamiki. Rzeczywiście, w powyższym przykładzie zrzutu kubka, warunki początkowe mają wysoki porządek i niską entropię, podczas gdy stan końcowy ma wysokie korelacje między stosunkowo odległymi częściami systemu - roztrzaskanymi kawałkami kubka, a także rozlanymi kroplami kubka. wodę i przedmiot, który spowodował upuszczenie kubka.

Fizyka cząstek (słaba) strzałka czasu

Pewne oddziaływania subatomowe, w których występują słabe siły jądrowe, naruszają zachowanie zarówno parzystości, jak i koniugacji ładunku , ale bardzo rzadko. Przykładem jest rozpad kaonu . Zgodnie z twierdzeniem CPT oznacza to, że powinny one być również nieodwracalne w czasie, a więc ustanawiać strzałkę czasu. Takie procesy powinny być odpowiedzialne za tworzenie materii we wczesnym wszechświecie.

To, że kombinacja parzystości i koniugacji ładunku jest tak rzadko łamana, oznacza, że ​​ta strzałka „ledwo” wskazuje w jednym kierunku, odróżniając ją od innych strzałek, których kierunek jest znacznie bardziej oczywisty. Ta strzałka nie była powiązana z żadnym zachowaniem czasowym na dużą skalę do czasu pracy Joan Vaccaro , która wykazała, że ​​naruszenie T może być odpowiedzialne za prawa zachowania i dynamikę.

Kwantowa strzałka czasu

Rozwój kwantowa reguluje równań ruchów, które są czasowo-symetryczny (np Schrödingera równania w nierelatywistyczną zbliżenia), i funkcji fali załamania , który jest procesem nieodwracalnym, czasu i jest albo rzeczywistym (do interpretacji Copenhagen z Quantum mechanika ) lub tylko pozorna (według interpretacji wielu światów i interpretacji relacyjnej mechaniki kwantowej ).

Teoria dekoherencji kwantowej wyjaśnia, dlaczego załamanie funkcji falowej zachodzi w sposób asymetryczny w czasie z powodu drugiej zasady termodynamiki, wyprowadzając w ten sposób kwantową strzałkę czasu z termodynamicznej strzałki czasu . Zasadniczo, po każdym rozproszeniu cząstek lub interakcji między dwoma większymi systemami, względne fazy obu systemów są początkowo uporządkowane, ale późniejsze interakcje (z dodatkowymi cząstkami lub systemami) sprawiają, że są one mniej takie, tak że oba systemy stają się dekoherentne. Tak więc dekoherencja jest formą wzrostu zaburzenia mikroskopowego - krótko mówiąc, dekoherencja zwiększa entropię. Dwa dekoherentne układy nie mogą już oddziaływać na siebie poprzez superpozycję kwantową , chyba że ponownie staną się spójne, co jest zwykle niemożliwe, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. W języku relacyjnej mechaniki kwantowej obserwator zostaje splątany ze stanem mierzonym, gdzie splątanie to zwiększa entropię. Jak stwierdził Seth Lloyd , „strzałka czasu jest strzałą rosnących korelacji”.

Jednak w szczególnych okolicznościach można przygotować warunki początkowe, które spowodują zmniejszenie dekoherencji i entropii. Zostało to wykazane eksperymentalnie w 2019 roku, kiedy zespół rosyjskich naukowców zgłosił odwrócenie kwantowej strzałki czasu na komputerze kwantowym IBM , w eksperymencie wspierającym zrozumienie kwantowej strzałki czasu jako wyłaniającej się z termodynamicznej.

Obserwując stan komputera kwantowego złożonego z dwóch, a później trzech nadprzewodzących kubitów , odkryli, że w 85% przypadków komputer z dwoma kubitami powrócił do stanu początkowego. Odwrócenie stanu zostało wykonane przez specjalny program, podobnie jak losowe mikrofalowe fluktuacje tła w przypadku elektronu . Jednak według szacunków przez cały wiek Wszechświata (13,7 miliarda lat) takie odwrócenie stanu elektronu miałoby miejsce tylko raz, przez 0,06 nanosekundy . Eksperyment naukowców doprowadził do powstania algorytmu kwantowego, który odwraca dany stan kwantowy poprzez złożoną koniugację .

Zauważ, że dekoherencja kwantowa pozwala jedynie na proces załamania się fali kwantowej; jest kwestią sporną, czy samo zawalenie faktycznie ma miejsce, czy też jest zbędne i tylko pozorne. Ponieważ jednak teoria dekoherencji kwantowej jest obecnie powszechnie akceptowana i została poparta eksperymentalnie, spór ten nie może być dłużej uważany za związany ze strzałką pytania o czas.

Psychologiczna/percepcyjna strzałka czasu

Pokrewna strzałka mentalna pojawia się, ponieważ ma się poczucie, że nasza percepcja jest ciągłym ruchem od znanej przeszłości do nieznanej przyszłości. Zjawisko to ma dwa aspekty: Pamięć – pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość; i wola – czujemy, że możemy wpływać na przyszłość, ale nie na przeszłość. Te dwa aspekty są konsekwencją przyczynowej strzałki czasu: przeszłe wydarzenia (ale nie przyszłe) są przyczyną naszych obecnych wspomnień, ponieważ coraz więcej korelacji tworzy się między światem zewnętrznym a naszym mózgiem (patrz korelacje i strzałka czas ); a nasze obecne wole i działania są przyczynami przyszłych wydarzeń. Wynika to z tego, że uważa się, że wzrost entropii jest związany ze wzrostem zarówno korelacji między układem a jego otoczeniem, jak i ogólnej złożoności, zgodnie z odpowiednią definicją, a więc wszystkie rosną wraz z upływem czasu.

Przeszłość i przyszłość są również psychologicznie związane z dodatkowymi pojęciami. Angielski , podobnie jak inne języki, ma tendencję do kojarzenia przeszłości z „za”, a przyszłość z „przed”, z wyrażeniami takimi jak „nie mogę się doczekać powitania”, „spojrzeć wstecz na stare dobre czasy” lub „ być o lata naprzód". Jednak to skojarzenie „za przeszłością” i „przyszłą przyszłością” jest uwarunkowane kulturowo. Na przykład język ajmara łączy „przed przeszłość” i „za przyszłość” zarówno pod względem terminologii, jak i gestów, co odpowiada obserwowanej przeszłości i nieobserwowanej przyszłości. Podobnie chiński termin oznaczający „pojutrze” 後天 ( „hòutiān”) dosłownie oznacza „po (lub za) dniu”, podczas gdy „przedwczoraj” 前天 ( „qiántiān”) jest dosłownie „poprzedzającym (lub przed ) dzień”, a osoby posługujące się językiem chińskim spontanicznie gestykulują do przodu w odniesieniu do przeszłości i do tyłu w odniesieniu do przyszłości, chociaż istnieją sprzeczne ustalenia dotyczące tego, czy postrzegają ego jako przed, czy za przeszłością. Nie ma języków, które umieszczają przeszłość i przyszłość na osi lewo-prawo (np. nie ma wyrażenia w języku angielskim typu *spotkanie zostało przesunięte w lewo ), chociaż przynajmniej osoby mówiące po angielsku kojarzą przeszłość z lewicą i przyszłość z prawem.

Słowa „wczoraj” i „jutro” przekładają się na to samo słowo w języku hindi : कल („kal”), co oznacza „[jeden] dzień odległy od dzisiejszego”. Niejednoznaczność rozstrzyga czas czasownika. परसों ( „parsoⁿ”) jest używane zarówno dla „przedwczoraj” i „pojutrze” lub „dwa dni od dzisiaj”.

तरसों ("tarson") jest używane jako "trzy dni od dzisiaj [1], a नरसों ("narson") jest używane jako "cztery dni od dzisiaj".


Druga strona psychologicznego upływu czasu leży w sferze woli i działania. Planujemy i często realizujemy działania, które mają wpłynąć na bieg wydarzeń w przyszłości. Z Rubaiyat :

Ruchomy palec pisze; i mając pismo,
  Idzie dalej: ani cała twoja pobożność, ani dowcip.
Zwabię go z powrotem, aby anulować pół Linii,
  Ani wszystkie Twoje Łzy nie wypłukują z tego Słowa.

Omar Khayyám (tłumaczenie Edwarda Fitzgeralda ).

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki