Problem czasu - Problem of time
W fizyce teoretycznej The problem czasu jest koncepcyjnym konflikt OTW i mechaniki kwantowej w mechanice kwantowej, że w odniesieniu do upływu czasu uniwersalnym i bezwzględne, a ogólnie względność odniesieniu do upływu czasu, jak i względem ciągliwego. Problem ten rodzi pytanie, czym tak naprawdę jest czas w sensie fizycznym i czy jest naprawdę rzeczywistym, odrębnym zjawiskiem. Wiąże się to również z powiązanym pytaniem, dlaczego czas wydaje się płynąć w jednym kierunku, mimo że żadne znane prawa fizyczne na poziomie mikroskopowym wydają się wymagać jednego kierunku. W przypadku układów makroskopowych kierunkowość czasu jest bezpośrednio powiązana z pierwszymi zasadami, takimi jak druga zasada termodynamiki .
Czas w mechanice kwantowej
W mechanice klasycznej czasowi przypisywany jest specjalny status w tym sensie, że jest on traktowany jako klasyczny parametr tła, zewnętrzny wobec samego systemu. Ta szczególna rola jest widoczna w standardowym sformułowaniu mechaniki kwantowej. Jest uważany za część a priori danego klasycznego tła o dobrze określonej wartości. W rzeczywistości klasyczne traktowanie czasu jest głęboko powiązane z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej, a zatem z koncepcyjnymi podstawami teorii kwantowej: wszystkie pomiary obserwowalnych są dokonywane w określonych momentach czasu, a prawdopodobieństwa są przypisywane tylko takim pomiarom. .
Szczególna teoria względności zmodyfikowała pojęcie czasu. Ale z punktu widzenia stałego obserwatora Lorentza czas pozostaje wyróżnionym, absolutnym, zewnętrznym, globalnym parametrem. Newtonowskie pojęcie czasu zasadniczo przenosi się do specjalnych systemów relatywistycznych, ukrytych w strukturze czasoprzestrzeni .
Obalanie czasu absolutnego w ogólnej teorii względności
Chociaż klasycznie czasoprzestrzeń wydaje się być absolutnym tłem, ogólna teoria względności ujawnia, że czasoprzestrzeń jest w rzeczywistości dynamiczna; grawitacja jest przejawem geometrii czasoprzestrzeni. Materia reaguje z czasoprzestrzenią:
Czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać; materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać.
— John Archibald Wheeler , Geons, Black Holes and Quantum Foam, s. 235
Również czasoprzestrzeń może oddziaływać ze sobą (np. fale grawitacyjne). Dynamiczna natura czasoprzestrzeni ma wiele konsekwencji.
Dynamiczna natura czasoprzestrzeni, poprzez argument dziury , sugeruje, że teoria ta jest niezmienna w dyfeomorfizmie . Ograniczenia są odciskiem w kanonicznej teorii niezmienności dyfeomorfizmu teorii czterowymiarowej. Zawierają również dynamikę teorii, ponieważ hamiltonian zanika identycznie. Teoria kwantów nie ma wyraźnej dynamiki; funkcje falowe są anihilowane przez ograniczenia, a obserwable Diraca łączą się z ograniczeniami, a zatem są stałymi ruchu. Kuchar wprowadza ideę „bylin”, a Rovelli ideę „częściowych obserwowalnych”. Oczekuje się, że w sytuacjach fizycznych niektóre zmienne teorii będą odgrywać rolę „czasu”, w odniesieniu do którego inne zmienne będą ewoluować i definiują dynamikę w sposób relacyjny. To napotyka trudności i jest pewną wersją „problemu czasu” w kwantyzacji kanonicznej.
Proponowane rozwiązania problemu czasu
Pojęcie kwantowe czasu po raz pierwszy wyłoniło się z wczesnych badań nad grawitacją kwantową, w szczególności z pracy Bryce'a DeWitta z lat 60.:
„Inne czasy to tylko szczególne przypadki innych wszechświatów”.
Innymi słowy, czas jest zjawiskiem splątania , które umieszcza wszystkie równe odczyty zegarów (właściwie przygotowanych zegarów - lub dowolnych przedmiotów używanych jako zegary) w tej samej historii. Po raz pierwszy zrozumieli to fizycy Don Page i William Wootters w 1983 roku. Przedstawili oni propozycję rozwiązania problemu czasu w systemach takich jak ogólna teoria względności, zwana interpretacją prawdopodobieństw warunkowych. Polega na promowaniu wszystkich zmiennych do operatorów kwantowych, z których jeden jest zegarem, i zadawaniu warunkowych pytań prawdopodobieństwa względem innych zmiennych. Doszli do rozwiązania opartego na kwantowym zjawisku splątania. Page i Wootters pokazali, jak można wykorzystać splątanie kwantowe do pomiaru czasu.
W 2013 roku w Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) w Turynie we Włoszech Ekaterina Moreva wraz z Giorgio Bridą, Marco Gramegna, Vittorio Giovannettim, Lorenzo Maccone i Marco Genovese przeprowadziła pierwszy eksperymentalny test pomysłów Page i Wootters. Potwierdzili, że czas jest zjawiskiem emergentnym dla obserwatorów wewnętrznych, ale nieobecnym dla obserwatorów zewnętrznych wszechświata, tak jak przewiduje to równanie Wheelera-DeWitta .
Podejście konsekwentnej dyskretyzacji opracowane przez Jorge Pullina i Rodolfo Gambiniego nie ma żadnych ograniczeń. Są to techniki aproksymacji sieciowej grawitacji kwantowej. W podejściu kanonicznym, jeśli dyskretyzuje się więzy i równania ruchu, wynikowe równania dyskretne są niespójne: nie można ich rozwiązać jednocześnie. Aby rozwiązać ten problem, stosuje się technikę opartą na dyskretyzacji działania teorii i pracy z dyskretnymi równaniami ruchu. Są one automatycznie gwarantowane jako spójne. Większość trudnych pytań koncepcyjnych dotyczących grawitacji kwantowej wiąże się z obecnością ograniczeń w teorii. Spójne, zdyskretyzowane teorie są wolne od tych problemów koncepcyjnych i można je w prosty sposób skwantować, dostarczając rozwiązania problemu czasu. Jest nieco bardziej subtelny. Chociaż bez ograniczeń i mając „ogólną ewolucję”, ta ostatnia jest tylko w kategoriach dyskretnego parametru, który nie jest fizycznie dostępny. Wyjście jest adresowane w sposób podobny do podejścia Page-Wooters. Chodzi o to, aby wybrać jedną z fizycznych zmiennych jako zegar i zadać pytania dotyczące relacji. Te pomysły, w których zegar jest również mechaniką kwantową, doprowadziły w rzeczywistości do nowej interpretacji mechaniki kwantowej — interpretacji mechaniki kwantowej Montevideo . Ta nowa interpretacja rozwiązuje problem wykorzystania dekoherencji środowiskowej jako rozwiązania problemu pomiaru w mechanice kwantowej, powołując się na podstawowe ograniczenia, wynikające z kwantowo-mechanicznej natury zegarów, w procesie pomiaru w mechanice kwantowej. Te ograniczenia są bardzo naturalne w kontekście ogólnie kowariantnych teorii, takich jak grawitacja kwantowa, gdzie zegar musi być traktowany jako jeden ze stopni swobody samego systemu. Przedstawili również tę fundamentalną dekoherencję jako sposób na rozwiązanie paradoksu informacyjnego czarnej dziury . W pewnych okolicznościach pole materii służy do deparametryzacji teorii i wprowadzenia fizycznego hamiltonianu. To generuje fizyczną ewolucję czasu, a nie ograniczenie.
Ograniczenia kwantyzacji ograniczonej przestrzeni fazowej są najpierw rozwiązywane, a następnie skwantyzowane. Podejście to przez pewien czas uważano za niemożliwe, ponieważ wydaje się, że wymaga uprzedniego znalezienia ogólnego rozwiązania równań Einsteina. Jednak dzięki wykorzystaniu pomysłów zawartych w schemacie aproksymacyjnym Dittricha (zbudowanym na pomysłach Rovelliego) możliwe było jednoznaczne zaimplementowanie, przynajmniej w zasadzie, kwantyzacji zredukowanej przestrzeni fazowej.
Avshalom Elitzur i Shahar Dolev twierdzą, że eksperymenty mechaniki kwantowej, takie jak Kłamca Kwantowa, dostarczają dowodów na niespójne historie, a zatem sama czasoprzestrzeń może podlegać zmianom wpływającym na całe historie. Elitzur i Dolev uważają również, że obiektywny upływ czasu i względności można pogodzić i że rozwiąże to wiele problemów związanych z wszechświatem blokowym i konfliktem między teorią względności a mechaniką kwantową.
Jednym z rozwiązań problemu czasu zaproponowanym przez Lee Smolin jest istnienie „gęstej teraźniejszości” zdarzeń, w której dwa zdarzenia w teraźniejszości mogą być ze sobą powiązane przyczynowo, ale w przeciwieństwie do blokowego wszechświatowego widzenia czasu, w którym cały czas istnieje wiecznie . Marina Cortês i Lee Smolin twierdzą, że pewne klasy dyskretnych systemów dynamicznych wykazują asymetrię czasu i nieodwracalność, co jest zgodne z obiektywnym upływem czasu.
Czas Weyla w grawitacji kwantowej o stałej skali
Motywowany niejednoznacznością Immirziego w pętli kwantowej grawitacji i prawie konforemnej niezmienności standardowego modelu cząstek elementarnych, Charles Wang i współpracownicy twierdzili, że problem czasu może być związany z leżącą u podstaw niezmiennością skali układów grawitacja-materia. Zaproponowano również niezmienność skali, aby rozwiązać problem hierarchii sprzężeń fundamentalnych. Jako globalna symetria ciągła, niezmienność skali generuje odwrócony prąd Weyla zgodnie z twierdzeniem Noether . W modelach kosmologicznych o niezmiennej skali prąd Weyla w naturalny sposób powoduje powstanie czasu harmonicznego. W kontekście pętli kwantowej grawitacji Charles Wang i inni sugerują, że niezmienność skali może prowadzić do istnienia skwantowanego czasu.
Hipoteza czasu termicznego
Generalnie teorie kowariantne nie mają pojęcia o wyodrębnionym czasie fizycznym, w odniesieniu do którego wszystko ewoluuje. Nie jest to jednak potrzebne do pełnego sformułowania i interpretacji teorii. Prawa dynamiczne są określone przez korelacje, które są wystarczające do przewidywania. Ale wtedy potrzebny jest mechanizm, który wyjaśnia, w jaki sposób znane pojęcie czasu ostatecznie wyłania się z ponadczasowej struktury, aby stać się tak ważnym składnikiem makroskopowego świata, w którym żyjemy, a także naszego świadomego doświadczenia.
Hipoteza czas termiczne zostały przedstawione jako możliwe rozwiązanie tego problemu przez Carlo Rovelli i Alain Connes , zarówno klasyczną teorią i kwantowej. Postuluje, że fizyczny upływ czasu nie jest a priori daną fundamentalną właściwością teorii, ale makroskopową cechą pochodzenia termodynamicznego.