Время пространство и что еще
Спросите Итана: существуют ли разные типы пространства и времени?
Одно из самых неинтуитивных следствий теории относительности Эйнштейна состоит в том, что не существует абсолютного пространства или абсолютного времени. Если спросить вас, где и когда вы находитесь, вы ответите. Но если мы с вами разойдёмся на большое расстояние, и я спрошу вас, где и когда, как вам кажется, нахожусь я, то наши с вами ответы не обязательно совпадут. Оказывается, в общей теории относительности не существует универсального метода определения пространства и времени (и расстояний) кроме того места, где находитесь вы. В результате у нас есть множество способов определять такие вещи, и именно с этим связан вопрос читателя:
Я хотел бы увидеть ваше объяснение конформного времени и сопутствующего расстояния – что это такое, когда и как их используют по сравнению с привычными временем и расстоянием.
Используя в обычной речи такие понятия, как «время» и «расстояние», мы делаем множество предположений, о которых очень редко задумываемся.
Если вы считаете, что вы можете сообщить мне, что там, где нахожусь я, время дня равняется 10:05 утра, а нахожусь я от вас на расстоянии в 700 метров, вы можете не понимать, на каком основании вы уверены в своих оценках. Вы предполагаете, что наши с вами часы идут с одинаковой скоростью, что они происходят из одного места, в котором мы с вами согласовали значение времени, и что когда мы вновь сведём эти часы вместе, они также будут согласовываться друг с другом. Всё просто, не правда ли?
Но это возможно, только если выполняются два важных условия:
1. Ничего не двигается по отношению ко всему остальному. Если два объекта приобретают скорость друг относительно друга, они испытывают течение времени (и ощущение расстояния) по-разному. Нестабильные частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, кажутся нам живущими дольше из-за растяжения времени, а космонавты на борту МКС, быстро двигающиеся вокруг Земли, стареют немного не так, как люди, находящиеся неподвижно на Земле.
2. Пространство абсолютно плоское, чего никогда не бывает. Во Вселенной работает ОТО, а согласно ей существование материи и энергии означает, что пространство искривлено, и что часы идут с разными скоростями в зависимости от глубины погружения в гравитационное поле. Часы на верхушке Эмпайр-стейт-билдинг каждый год отстают на несколько микросекунд от часов у её подножия.
Те же ограничения действуют и для расстояний: движение и кривизна пространства делают невозможным для наблюдателей в разных местах принять универсальный стандарт расстояний. Но для действительно больших расстояний начинает играть роль ещё кое-что: факт расширения самой ткани пространства Вселенной на космических масштабах. Мы уже не можем говорить о расстояниях между галактиками как о том, что можно измерить некоей согласованной линейкой, поскольку пространство между галактиками со временем расширяется. И это приводит к проблемам, когда мы начинаем говорить, к примеру, о самых отдалённых галактиках во Вселенной.
Текущий космический рекордсмен по расстояниям расположен на красном смещении в 11,1 что означает, что за время существования Вселенной, 13,8 млрд лет с Большого взрыва, его свет дошёл до нас, побыв в пути 13,4 млрд лет. Но как далеко от нас эта галактика? Вы могли бы на основе времени, затраченного на путь, решить, что она находится на расстоянии в 13,4 млрд световых лет – но это вряд ли так. Когда свет, дошедший до нас, был испущен этой галактикой, она находилась не более, чем в двух млрд световых лет от нас. Благодаря расширению Вселенной мы, используя общепринятый стандарт измерений, можем сказать, что сейчас она находится в 32 млрд световых лет от нас. Универсальный стандарт расстояний тяжело определить в расширяющейся Вселенной, в которой расстояния меняются со временем.
Так что одно из вводимых нами понятий при ответе на вопрос читателя – концепция разных типов расстояний. Он спрашивает нас об одном из них – о сопутствующем расстоянии. Это одно из моих любимых понятий: оно подразумевает, что расстояния во Вселенной изменяются из-за Хаббловского расширения, поэтому оно исключает расширение из вычислений. Это очень удобно для проведения симуляций формирования таких структур Вселенной, как звёзды, галактики, скопления и нити. Гравитация, конечно, вносит свою лепту, но и Вселенная всё это время расширяется. Зная, как сделать поправку расстояний на расширение, мы можем увидеть, как эволюционируют крупномасштабные структуры Вселенной. Визуально за этим наблюдать гораздо интереснее, чем следить за расширением Вселенной и пытаться различить во всём этом процесс формирования структур.
Поскольку пространство и время неразрывно связаны в объединяющую их концепцию пространства-времени, нам необходимо новое понятие о времени, соответствующее каждому из новых понятий расстояний, которые мы изобретём. Временным партнёром сопутствующего расстояния и будет конформное время. Если бы мы могли волшебным образом мгновенно заморозить всё расширение Вселенной во всех местах, то конформное время соответствует тому, сколько световому лучу потребуется времени на путь из некоего места до вас.
Для наиболее удалённой от нас галактики во Вселенной конформное время составит 32 млрд лет. Для воспринимаемого расстояния от Большого взрыва оно составит 46 млрд лет. И это несмотря на то, что от Большого взрыва до испускания света первой галактикой прошло 400 млн лет. На ранних этапах расширение Вселенной было таким быстрым – и результат этого ощущается и сегодня – что разница в 14 млрд лет конформного времени соответствует разнице в 400 млн лет «правильного» времени (того, которое мы называем просто «время»).
Если рассуждать о событиях, происходящих на Земле, где ничего не движется со скоростями, близкими к световой и не меняется слишком сильно в гравитационном поле, то различные типы «расстояний» и «времён» будут совпадать. Но если говорить о расширяющейся Вселенной на космических масштабах, то правильное расстояние и правильное время могут быть не такими полезными и интересными, как сопутствующее расстояние и конформное время. И в следующий раз, когда вы увидите симуляцию Вселенной и увидите, что Вселенная не выглядит расширяющейся, имейте в виду, что симуляция проходит с использованием сопутствующих расстояний, хотя и может использовать правильное время.
А когда вы услышите что-нибудь об очень удалённом объекте, находящемся от нас на расстоянии меньшем, чем 14 млрд световых лет, имейте в виду, что, скорее всего, речь идёт о сопутствующем расстоянии. Согласно нашим обычным, правильным линейкам, это расстояние, скорее всего, будет гораздо большим!
Величайшие загадки: что такое пространство-время?
Люди всегда принимают пространство как само собой разумеющееся. В конце концов, это просто пустота — емкость для всего остального. Время тоже тикает непрерывно. Но физики такие люди, им всегда нужно что-то усложнить. Регулярно пытаясь объединять свои теории, они выяснили, что пространство и время сливаются в системе настолько сложной, что обычному человеку и не понять.
Визуализация пространства и времени.
Альберт Эйнштейн понял, что нас ждет, еще в ноябре 1916 года. Годом раньше он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация — это не сила, которая распространяется в пространстве, а свойство самого пространства-времени. Когда вы подбрасываете мяч в воздух, он летит по дуге и возвращается на землю, потому что Земля искривляет пространство-время вокруг себя, поэтому дорожки мяча и земли пересекутся снова. В письме другу Эйнштейн рассматривал задачу слияния общей теории относительности с другим своим детищем, зарождающейся теорией квантовой механики. Но его математических навыков просто не хватало. «Как же я измучил себя этим!», писал он.
Эйнштейн так никуда и не пришел в этом отношении. Даже сегодня идея создания квантовой теории гравитации кажется крайне далекой. Споры скрывают важную истину: конкурентные подходы все как один говорят о том, что пространство рождается где-то глубже — и эта идея ломает устоявшееся за 2500 лет научное и философское представление о нем.
Вниз по черной дыре
Обычный магнитик на холодильнике прекрасно иллюстрирует проблему, с которой столкнулись физики. Он может приколоть бумажку и сопротивляться гравитации всей Земли. Гравитация слабее магнетизма или другой электрической или ядерной силы. Какие бы квантовые эффекты за ней ни стояли, они будут слабее. Единственное осязаемое доказательство того, что эти процессы вообще происходят, это пестрая картина материи в самой ранней Вселенной — которая, как полагают, была нарисована квантовыми флуктуациями гравитационного поля.
Черные дыры — лучший способ проверить квантовую гравитацию. «Это самое подходящее, что можно найти для экспериментов», говорит Тед Джейкобсон из Университета Мэриленда, Колледж-Парк. Он и другие теоретики изучают черные дыры как теоретические точки опоры. Что происходит, когда берутся уравнения, которые идеально работают в лабораторных условиях, и помещаются в самые экстремальные ситуации из мыслимых? Не появится ли какой-нибудь едва заметной огрехи?
Общая теория относительно предсказывает, что вещество, падающее в черную дыру, бесконечно сжимается по мере приближения к центру — математическому тупичку под названием сингулярность. Теоретики не могут вообразить траекторию объекта за пределами сингулярности; все линии сходятся в ней. Даже говорить о ней, как о месте, проблематично, потому что само пространство-время, определяющее местоположенрие сингулярности, прекращает существовать. Ученые надеются, что квантовая теория может предоставить нам микроскоп, который позволит рассмотреть эту бесконечно малую точку бесконечной плотности и понять, что происходит с попадающей в нее материей.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
На границе черной дыры вещество еще не настолько сдавлено, гравитация слабее и, насколько нам известно, все законы физики должны работать. И тем больше обескураживает тот факт, что они не работают. Черная дыра ограничена горизонтом событий, точкой невозврата: вещество, преодолевающее горизонт событий, уже не вернется. Спуск необратим. Это проблема, потому что все известные законы фундаментальной физики, включая квантово-механические, обратимы. По крайней мере, в принципе, в теории, вы должны иметь возможность обратить движение и восстановить все частицы, которые у вас были.
С похожей головоломкой физики столкнулись в конце 1800-х, когда рассматривали математику «черного тела», идеализированного как полость, заполненная электромагнитным излучением. Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла предсказывала, что такой объект будет поглощать все излучение, которое на него падает, и никогда не придет в равновесие с окружающей материей. «Он может поглотить бесконечное количество тепла от резервуара, который поддерживается при постоянной температуре», объясняет Рафаэль Соркин из Института теоретической физики Периметра в Онтарио. С тепловой точки зрения у него будет температура абсолютного нуля. Этот вывод противоречит наблюдениям настоящих черных тел (таких как печь). Продолжая работу над теорией Макса Планка, Эйнштейн показал, что черное тело может достичь теплового равновесия, если энергия излучения будет поступать в дискретных единицах, или квантах.
Физики-теоретики почти полвека пытались достичь подобного решения для черных дыр. Покойный Стивен Хокинг из Кембриджского университета предпринял важный шаг в середине 70-х, применив квантовую теорию к полю излучения вокруг черных дыр и показав, что у них ненулевая температура. Следовательно, они могут не только поглощать, но и излучать энергию. Хотя его анализ ввернул черные дыры в область термодинамики, он также усугубил проблему необратимости. Исходящее излучение испускается на границе черной дыры и не переносит информацию из недр. Это случайная тепловая энергия. Если обратить процесс и скормить эту энергию черной дыре, ничего не всплывет: вы просто получите еще больше тепла. И невозможно вообразить, что в черной дыре что-то осталось, просто в ловушке, потому что по мере того, как черная дыра испускает излучение, она сокращается и, согласно анализу Хокинга, в конечном итоге исчезает.
Эта проблема получила название информационного парадокса, поскольку черная дыра разрушает информацию о попавших в нее частицах, которые вы могли бы попытаться восстановить. Если физика черных дыр действительно необратимо, что-то должно выносить информацию обратно, и нашу концепцию пространства-времени, возможно, придется изменить, чтобы вписать этот факт.
Атомы пространства-времени
Тепло — это случайное движение микроскопических частиц, вроде молекул газа. Поскольку черные дыры могут нагреваться и остывать, было бы разумно предположить, что они состоят из частей — или, если в общем, из микроскопической структуры. И поскольку черная дыра — это просто пустое пространство (согласно ОТО, падающая в черную дыру материя проходит через горизонт событий, не останавливаясь), части черной дыры должны быть частями самого пространства. И под обманчивой простотой плоского пустого пространства скрывается колоссальная сложность.
Даже теории, которые должны были сохранять традиционное представление о пространстве-времени, пришли к выводам, что что-то прячется под этой гладкой поверхностью. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг, сейчас работающий в Техасском университете в Остине, попытался описать гравитацию так же, как описывают другие силы природы. И выяснил, что пространство-время радикально модифицировано в своих мельчайших масштабах.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Термодинамика черных дыр ставит под сомнение картину пространства в виде простой мозаики. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете сосчитать ее части, по крайней мере в принципе. Сбросьте энергию и посмотрите на термометр. Если столбик взлетел, энергия должна распространяться на сравнительно немного молекул. Фактически, вы измеряете энтропию системы, которая представляет собой ее микроскопическую сложность.
Если проделать это с обычным веществом, количество молекул увеличивается вместе с объемом материала. Так, во всяком случае, должно быть: если увеличить радиус пляжного мяча в 10 раз, внутри него поместится в 1000 раз больше молекул. Но если увеличить радиус черной дыры в 10 раз, число молекул в ней умножится всего в 100 раз. Число молекул, из которых она состоит, должно быть пропорциональным не ее объему, а площади поверхности. Черная дыра может казаться трехмерной, но ведет себя как двумерный объект.
Этот странный эффект получил название голографического принципа, потому что напоминает голограмму, которая видится нам как трехмерный объект, а при ближайшем рассмотрении оказывается изображением, произведенным двумерной пленкой. Если голографический принцип учитывает микроскопические составляющие пространства и его содержимого — что физики допускают, хоть и не все — для создания пространства будет недостаточно простого сопряжения мельчайших его кусочков.
Запутанные сети
В последние годы ученые осознали, что в этом всем должна быть замешана квантовая запутанность. Это глубокое свойство квантовой механики, чрезвычайно мощный тип связи, кажется намного примитивнее пространства. Например, экспериментаторы могут создать две частицы, летящие в противоположные направления. Если они будут запутаны, они останутся связанными вне зависимости от разделяющего их расстояния.
Время относительно, не стоит об этом забывать
Традиционно, когда люди говорили о «квантовой» гравитации, они имели в виду квантовую дискретность, квантовые флуктуации и все остальные квантовые эффекты — но не квантовую запутанность. Все изменилось, благодаря черным дырам. За время жизни черной дыры в нее попадают запутанные частицы, но когда черная дыра полностью испаряется, партнеры за пределами черной дыры остаются запутанными — ни с чем. «Хокингу стоило назвать это проблемой запутанности», говорит Самир Матур из Университета штата Огайо.
Даже в вакууме, где нет никаких частиц, электромагнитные и другие поля внутренне запутаны. Если измерить поле в двух разных места, ваши показания будут незначительно колебаться, но останутся в координации. Если разделить область на две части, эти части будут в корреляции, а степень корреляции будет зависеть от геометрического свойство, которое у них есть: площадь интерфейса. В 1995 году Якобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между присутствием материи и геометрией пространства-времени — а значит, могла бы объяснить и закон гравитации. «Больше запутанности — гравитация слабее», говорил он.
Некоторые подходы к квантовой гравитации — прежде всего, теория струн — рассматриваю запутанность как важный краеугольный камень. Теория струн применяет голографический принцип не только к черным дырам, но и вселенной в целом, обеспечивая рецепт создания пространства — или, по крайней мере, некоторой его части. Оригинальное двумерное пространство будет служить границей более обширного объемного пространства. А запутанность будет связывать объемное пространство в единое и непрерывное целое.
В 2009 году Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии предоставил элегантное объяснение этому процессу. Предположим, поля на границе не запутаны — они образуют пару систем вне корреляции. Они соответствуют двум отдельным вселенным, между которыми нет никакого способа связи. Когда системы становятся запутанными, образуется как бы туннель, червоточина, между этими вселенными и космические корабли могут между ними перемещаться. Чем выше степень запутанности, тем меньше длина червоточины. Вселенные сливаются в одну и больше не являются двумя отдельными. «Появление большого пространства-времени напрямую связывает запутанность с этими степенями свободы теории поля», говорит Ван Раамсдонк. Когда мы наблюдаем корреляции в электромагнитном и других полях, они являются остатком сцепления, которое связывает пространство воедино.
Многие другие особенности пространства, помимо его связанности, также могут отражать запутанность. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл, работающий в Университете Мэриленда, утверждает, что вездесущность запутанности объясняет универсальность гравитации — что она воздействует на все объекты и проникает везде. Что касается черных дыр, Леонард Сасскинд и Хуан Малдасена считают, что запутанность между черной дырой и испускаемым ей излучением создает червоточину — черный вход в черную дыру. Таким образом сохраняется информация и физика черной дыры оказывается необратимой.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Хотя эти идеи теории струн работают только для конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства, некоторые ученые пытаются объяснить появление пространства с нуля.
В физике, да и в целом, в естественных науках, пространство и время — основа для всех теорий. Но мы никогда не замечаем пространства-времени напрямую. Скорее, выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что наиболее логичным объяснением явлений, которые мы видим, будет некоторый механизм, который функционирует в пространстве-времени. Но квантовая гравитация говорит нам, что не все явления идеально вписываются в такую картину мира. Физикам нужно понять, что находится еще глубже, подноготную пространства, обратную сторону гладкого зеркала. Если им удастся, мы закончим революцию, начатую больше века назад Эйнштейном.
Время на квантовом уровне течет иначе. Но как? И что это означает для физики?
До начала ХХ столетия считалось, что время – есть величина абсолютная. Но после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), стало понятно, что время – понятие более субъективное и имеет отношение к наблюдателю, который его измеряет. И все же, многие продолжали трактовать время так, словно это прямая железнодорожная линия, двигаться по которой можно только вперед или назад. Но что, если эта железнодорожная линия ветвится или вовсе имеет окружные пути, двигаясь по которым поезд возвращается на станцию, которую уже проезжал? Иными словами, можно ли путешествовать в будущее или прошлое? Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса «Машина времени», научные фантасты придаются фантазиям во всю. Но в реальной жизни представить нечто подобное невозможно. Ведь если бы кто-то в будущем изобрел машину времени, неужто он бы не предупредил нас об угрозе пандемии COVID-19 или об ужасных последствиях глобального потепления? Но к нам так никто и не прибыл. Быть может, стоит посмотреть на время под другим углом?
Законы квантового мира очень сильно отличаются от тех, что мы можем непосредственно наблюдать
Квантовая механика – раздел теоретической физики, описывающий физические явления, действие в которых сравнимо по величине с постоянной Планка.
Ход времени
Наше понятие времени восходит к картине, описанной Исааком Ньютоном: стрела времени движется только вперед, лишая нас всякой возможности вернуться назад, в прошлое. В то же самое время ОТО гласит, что ход времени различен для наблюдателей в разных гравитационных полях.
Это означает, что у поверхности Земли время течет медленнее, так как сила гравитации на планете сильнее, чем на орбите. И чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Подробнее о том, почему время на вершине горы и на пляже течет по-разному, можно прочитать здесь.
Выходит, законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения времени в пространстве, а теория относительности и вовсе поставила на этой идее крест. Более того, как пишут в своей книге «Кратчайшая история времени» физики Стивен Хокинг и Леонард Млодинов, путешествия во времени возможны.
Обложка замечательной книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова, настоятельно рекомендуем к прочтению
Теория относительности показывает, что создание машины времени, способной переместить нас в будущее действительно возможно. Все, что нужно сделать после ее создания – войти внутрь, подождать некоторое время, а затем выйти – и обнаружить, что на Земле время шло иначе, нежели для вас. То есть намного быстрее. Безусловно, никто на планете не обладает подобными технологиями, но их появление – вопрос времени. Ведь если хорошенько подумать, то что нужно для изобретения такой машины?
Во-первых, она должна разгонятся до околосветовых скоростей (напомню, что скорость света достигает 300 000 км/с), а во-вторых, следует вспомнить знаменитый парадокс близнецов, при помощи которого физики пытаются доказать противоречивость специальной теории относительности, которая гласит, что с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются.
Согласно специальной теории относительности (СТО) все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости.
Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности 106 лет назад.
Немного проясним – данный способ предполагает, что машина времени, в которую вы вошли, взлетает, разгоняется до околосветовой скорости, движется так какое-то время (в зависимости от того, как далеко вперед во времени вы направляетесь) и затем возвращается назад. Когда путешествие заканчивается, покинув машину времени вы понимаете, что для вас прошло намного меньше времени, чем для всех жителей Земли – вы совершили путешествие в будущее. Но если отныне мы воспринимаем время по-другому, быть может, законы физики подскажут, как путешествовать в прошлое?
Можно ли отправиться в прошлое?
Первый намек на то, что человек может совершать путешествия во времени, появился в 1949 году, когда австрийский математик Курт Гедель нашел новое решение уравнений Эйнштейна. Или новую структуру пространства-времени, допустимую с точки зрения ОТО.
Вообще, говоря об уравнениях Эйнштейна, важно понимать, что они удовлетворяют множество разных математических моделей Вселенной. Эти модели различаются, например, начальными или граничными условиями.
И чтобы понять, соответствуют ли они Вселенной, в которой мы живем, мы должны проверить их физические предсказания.
Кстати, если вы давно не пересматривали «Назад в будущее» – самое время)
Гедель, будучи математиком, прославился тем, что доказал – не все истинные утверждения можно доказать, даже если дело сводится к попытке доказать все истинные утверждения, например, с помощью простой арифметики. Таким образом, подобно принципу неопределенности, теорема Геделя о неполноте может быть фундаментальным ограничением нашей способности познавать и предсказывать Вселенную.
Принцип неопределенности – принцип, сформулированный Гейзенбергом и утверждающий, что нельзя одновременно точно определить и положение, и скорость частицы; чем точнее мы знаем одно, тем менее точно другое.
Интересно, что пространство-время Геделя имело любопытную особенность: Вселенная в его представлении вращалась как целое. А вот Эйнштейн был очень огорчен тем, что его уравнения допускают подобное решение. Общая теория относительности в его понимании не должна позволять путешествия во времени. Уравнение Геделя, однако, не соответствует Вселенной, в которой мы живем, но его труд позволил миру взглянуть на время (а заодно и на Вселенную) иначе.
Итак, пространство-время, как известно, тесно взаимосвязаны. Это означает, что вопрос о путешествиях во времени переплетается с проблемой перемещения на скоростях, превыщающих 300 000 км/с, то есть скорость света. А когда речь заходит о фотонах, общая теория относительности, увы, уходит на задний план, а ее место занимает квантовая механика.
Подробнее о том, что изучает квантовая механика, а главное как, мы рассказывали в этой статье, рекомендую к прочтению!
Переход на квантовый уровень
Не так давно команда физиков из Университетов Вены, Бристоля, Балеарских островов и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI-Вена) показала, как квантовые системы могут одновременно развиваться по двум противоположным временным стрелкам (вперед и назад во времени). Иными словами, квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени.
Квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени
Ранее, чтобы понять почему, ученые установили, что время знает только одно направление — вперед. Так что нам с вами придется вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутой системе энтропия системы (то есть мера беспорядка и случайности внутри системы) остается постоянной или увеличивается.
Если наша Вселенная представляет собой замкнутый цикл, свернутый в клубок, ее энтропия никогда не может уменьшиться, а это означает, что Вселенная никогда не вернется в более раннюю точку. Но что, если бы стрела времени «посмотрела» на явления, где изменения энтропии невелики?
Второй закон термодинамики – это статистический закон, в среднем верный для макроскопической системы. В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционируют в сторону ситуаций с более низкой энтропией, – пишут авторы научной работы.
Вот что говорит об этом Джулия Рубино, научный сотрудник Университета Бристоля и ведущий автор новой статьи: «Давайте предположим, что в начале газ в сосуде занимает только его половину. Затем представьте, что мы удаляем клапан, который удерживал его в пределах половины сосуда, так что газ теперь может свободно расширяться по всему сосуду».
Термодинамика хранит в себе множество тайн о нашем мире и Вселенной
В результате мы увидим, что частицы начнут свободно перемещаться по всему объему сосуда. Со временем газ займет весь сосуд. «В принципе, существует ненулевая вероятность того, что в какой-то момент газ естественным образом вернется, чтобы занять половину сосуда, только эта вероятность становится меньше, чем больше становится количество частиц, составляющих газ», – объясняет Рубино.
Если бы существовало только три частицы газа вместо огромного количества газа (состоящего из миллиардов частиц), эти несколько частиц могли бы снова оказаться в той части сосуда, откуда они первоначально стартовали. Вот такая физика.
ОТО допускает путешествия во времени в будущее. С прошлым все намного сложнее
Далее, как вы могли догадаться, следует второй закон термодинамики – так называемый статистический закон, который является верным в среднем для макроскопической системы. «В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционирует в сторону ситуаций с более низкой энтропией», – отмечают исследователи.
Стрела времени
Чтобы разобраться еще подробнее, отметим, что в ходе нового исследования физики задавались вопросом о последствиях применения описанной выше парадигмы в квантовой области. Согласно принципу квантовой суперпозиции, отдельные единицы (например, свет) могут существовать одновременно в двух состояниях, как в виде волн, так и в виде частиц, проявляясь в том или ином виде в зависимости от того, что именно вы тестируете.
Команда Рубино рассмотрела квантовую суперпозицию с состоянием, которое развивается как назад, так и вперед во времени. Измерения показали, что чаще всего система в конечном итоге движется вперед во времени. Если бы не небольшие изменения энтропии, система действительно могла бы продолжать развиваться как вперед, так и назад во времени.
Разрушение суперпозиции состоянии при взаимодействии с окружением с течением времени Изображение Joint Quantum Institute
Так как же эти сложные физические понятия соотносятся с реальным человеческим опытом? Неужели наконец-то пришло время начать собирать вещи для путешествия назад во времени? Увы.
«Мы, люди, являемся макроскопическими системами. Мы не можем воспринимать эти квантовые суперпозиции временных эволюций», – говорит Рубино. Для нас время действительно движется вперед. Возможно, это тот случай, когда мир немного не определился.
И действительно – на самом фундаментальном уровне мир состоит из квантовых систем (которые могут двигаться вперед и назад). Более глубокое понимание того, как описать течение времени на уровне этих элементарных составляющих, могло бы позволить физикам сформулировать более точные теории для их описания и, в конечном счете, получить более глубокое понимание физических явлений мира, в котором мы живем.
Еще больше интересных статей обо всем на свете, а также о путешествиях во времени и Мультивселенной читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Выводы
Однако не все согласны с тем, что различие между макроскопическим и микроскопическим является четким. Как пишет Popular Mechanics, Рамакришна Подила, доцент кафедры физики и астрономии Университета Клемсона в Южной Каролине, говорит, что статистика многих частиц по сравнению со статистикой отдельных частиц является более точным способом описания вещей.
Даже у одной частицы есть свои собственные, уникальные микросостояния. Подила считает, что в нашем стремлении понять время мы ставим уравнения выше физической реальности — и упускаем главное.
Связывание стрелы времени с энтропией или коллапсом квантово-механической системы (как указано в статье) – это не формальные утверждения, а популярные методы, которые просты в использовании. Даже то, что время движется вперед, само по себе не аксиома, а теория, которую астрофизик Артур Эддингтон придумал и популяризировал в 1927 году.
Время и пространство неразрывно связаны, но правильно ли мы их понимаем?
Так что, возможно, идея о том, что пространство и время сливаются в один переплетенный континуум, имеет право на жизнь. С тех пор как Альберт Эйнштейн сформулировал теорию относительности, мы перестали воспринимать пространство как трехмерную фигуру, а время — как одномерное.
Время стало четвертым элементом четырехмерного вектора, описывающего пространство и время, — говорит Рубино. Это единая, динамичная сущность, над которой мы все еще ломаем голову.
В заключение же хочу не только поблагодарить читателя за внимание, но и вновь процитировать ученых: «Хотя время часто рассматривается как непрерывно увеличивающийся параметр, наше исследование показывает, что законы, управляющие его течением в квантово-механических контекстах, намного сложнее. Это может означать, что нам нужно переосмыслить то, как мы представляем эту величину во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль».
Из-за квантовой суперпозиции ход времени в микромире не имеет определенного направления — исчезает грань между причиной и следствием.
Полностью ознакомиться с текстом научной работы можно в журнале Nature. Кстати, как вы думаете, можно ли путешествовать во времени и что новое исследование говорит нам о Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье!
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Шел 2016 год, физики работали не покладая рук. Четыре года назад БАК подтвердил существование бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью. Все шло к то…
Наблюдая за галактикой Млечный Путь, мы узнали, что на каждый кубический метр пространства, даже тот, который занят вашим стулом, есть небольшое количество м…
Подумайте обо всем, что существует во Вселенной. Гигантские космические печи вроде нашего Солнца. Газовые гиганты, рядом с которыми наша планета будет просто…