Недостающий пазл в картине мира: проблема времени в физике

 
93 просмотров
HardNews24 - Новостной агрегатор. Мы публикуем для Вас самые свежие и интересные новости из разных источников. HardNews24 - Первый портал новости которого можно комментировать и свободно общаться с оппонентом. HardNews24 - Новости которые комментируете Вы!

Недостающий пазл в картине мира: проблема времени в физике

Почему время невозможно повернуть вспять, откуда оно взялось во Вселенной и «бралось» ли вообще? Как наручные часы способны взаимодействовать между собой и почему, по мнению ученых, без ответов на эти вопросы невозможно создание Теории всего?

Почему время необратимо?

Как известно, одним из выдающихся открытий великого маэстро Эйнштейна было открытие неразрывного пространственно-временного полотна. Ученый заключил: пространства и времени не существует по отдельности, есть лишь единый пространственно-временной континуум с тремя пространственными и одной временной координатами. Но, несмотря на неразрывную связь между пространством и временем, наше движение в этих координатах не подчиняется одним законам: если, гуляя вдоль улицы, мы вполне можем развернуться и начать движение в противоположную сторону, то открутить время назад и возвратить на место разбившуюся вазу мы не в силах. Это значит, что, в отличие от пространственных, временная координата «запрограммирована» лишь на увеличение. Долгое время ученых мучила эта неясная закономерность, существующая во Вселенной, и на сегодняшний день сформировалось даже несколько теорий, стремящихся объяснить направленность «стрелы времени».

Разбить нельзя собрать

Первая и самая старая теория (выдвинута была Артуром Эддингтоном еще в 1928 году) — это связь направления времени с… термодинамикой!  А именно, со вторым ее законом. В самом упрощенном виде он устанавливает, что теплота всегда передается от более нагретых тел более холодным. То есть такого явления, как «передача холода», не существует, теплопередача — процесс, протекающий исключительно в одном направлении.

В более масштабной формулировке этот закон называется «законом увеличения энтропии». Энтропия — это мера неупорядоченности системы. Она возрастает, когда увеличивается число возможных вариантов размещения элементов системы в пространстве. Для наглядности представим систему из  баскетбольных мячей. Если кто-то бывал в профессиональных баскетбольных залах, то должен знать, что мячи обычно стоят на специально отведенных для этого стойках. Вот в таком состоянии система из мячей, соответственно, имеет наименьшую энтропию, так как обладает наивысшей мерой упорядоченности. Теперь, если вдруг вам попадется неуклюжий тренер, который в один миг опрокинет всю стойку, энтропия увеличится, ведь каждый из мячей теперь будет иметь больше возможностей для размещения в пространстве: он может оказаться в центре зала, в углу, на штрафной линии, на трехочковой и т. д. Если же еще и двери зала открыть и выкинуть все мячи — уровень энтропии повысится еще больше.

Наша первая формулировка про теплопередачу утверждала то же самое, но в более узком значении: холод не передается как раз оттого, что это значило бы уменьшение энтропии, ведь при понижении температуры скорость движения (для твердых тел —колебания) молекул замедляется, уменьшая при этом число их возможных размещений. Таким образом, именно второе начало термодинамики дает ответ на вопросы, почему вазы бьются и не собираются, молекулы пара вылетают из чашки кофе и не возвращаются, а сахар растворяется в чае и не превращается больше в кристаллы, ведь энтропия мира призвана необратимо увеличиваться со временем. Выходит, что направленность хода времени может быть связана с направленностью уровня энтропии во Вселенной, и если вам покажут два момента из жизни Вселенной, вы сможете понять, какой из них относится к прошлому, определив, где уровень энтропии (хаоса, беспорядка) меньше.

Неразъедаемый гравитационный клей

Другая, более свежая, теория утверждает, что время толкает вперед не термодинамика с ее энтропией, а гравитация (ее главный автор — физик Национального независимого университета города Мехико Тим Козловски, соавторы — британский физик Джулиан Барбур, канадский — Флавио Меркати)! Тут понятно: из-за действия гравитации Вселенная становится более сложной и структурированной. Это также процесс необратимый — Вселенная склонна именно к структурному усложнению без пути назад. Сначала она имела вид жижи из хаотически двигающихся частиц и неупорядоченной энергии, далее, когда гравитация взяла свое, постепенно из газа стали образовываться звезды, из групп звезд — галактики. Все ведет к структурной упорядоченности. Относительно скоро, к примеру, гравитация свяжет воедино наш Млечный Путь с близлежащей Галактикой Андромеды. Таким образом, если вам нужно будет определить, какой из двух моментов в жизни Вселенной был позже, вы сможете посмотреть на нее и сказать, что там, где она структурно менее сложная и  упорядоченная, там и будет прошлое. То есть, возможно, именно гравитация путем необратимого сплочения материи и запускает стрелу времени.

Иллюстратор Ирина Ефремова

Пространство-время из «Лего»

Ну, а эта теория будет понятна людям даже с минимально развитой фантазией. Выдвинута она была в 1980-м году физиком Рафаэлем Соркиным и носит довольно смутное название «теории причинного ряда». Суть ее в следующем: уже известное нам пространственно-временное полотно должно быть дискретным (делимым) и на планковских масштабах (где-то около 10-35 м) состоять из «атомов» пространства и времени. Они плотно прилегают друг к другу и в каждое мгновение создают новый слой  — прямо как детали конструктора «Лего». Выходит ряд, где каждый  элемент связан с предыдущим в заданной последовательности. Из-за наслаивания таких «деталек» друг на друга объем пространства и времени увеличивается (для статистики, видимая часть Вселенной состоит примерно из 10240 подобных элементарных блоков.)  Это, по мнению некоторых ученых, и влечет за собой  течение времени.

А если все же обратить?

Но можно ли каким-то способом заставить время течь в обратную сторону? Один из самых популярных космологов современности Стивен Хокинг, пытаясь найти ответ на этот вопрос, в свое время предположил: если через 10 млрд лет Вселенная достигнет критической плотности и гравитационные силы остановят процесс ее расширения, заставив при этом необратимо сжиматься, время тоже потечет вспять — жизнь человека превратится в «загадочную историю Бенджамина Баттона», а куча осколков снова приобретет вид цельной чашки.

Но не спешите искать способы погружения себя в столь длительный анабиотический сон. Позднее студент Хокинга Раймон Лафламм опроверг гипотезу профессора: как оказалось, даже в фазе сжатия пространства стрела времени не обратит своего направления, ведь процесс сжатия Вселенной во многом отличается от расширения.

Подобные предположения выдвигались и в отношении черных дыр. Как известно, вблизи этих космических объектов время замедляется под влиянием большой гравитации. На горизонте событий же — условно говоря, границе черной дыры, за которой попавшую внутрь материю под влиянием сингулярной гравитации растягивает и разрывает на куски, — время вообще останавливается. Так вот была выдвинута гипотеза, что за горизонтом событий время должно течь вспять и, находясь там, человек (помимо того, что моментально превратится в лапшу) сможет увидеть, как заново оживает мертвец!

Но и тут нас, скорее всего, ждет разочарование: внутри черной дыры, по сути, должно происходить нечто, напоминающее Большой взрыв, только протекающий в обратном порядке, — попросту сжатие материи. А как мы уже говорили, сжатие не должно вести  к  обратному течению времени. Похоже, что Вселенная не на шутку настроена толкать время лишь в одном направлении.

Безвременная Вселенная?

Существует и другой вопрос, беспокоящий ученых современности: а есть ли вообще, что толкать? Долгое время физики бились над проблемой создания Теории всего, в основе которой лежала бы формула, описывающая целиком всю Вселенную: от движения электрона до взаимодействия между галактиками. Несколько десятков лет назад такая формула была сложена и получила название в честь двух своих гениальных разработчиков — «уравнение Уиллера — деВитта». Сегодня его называют Великим Объединяющим Уравнением.

Но вот что интересно: в этом уравнении совершенно нет места времени, его решения (состояния Вселенной) абсолютно независимы от этой переменной. Дело в том,  что на самом фундаментальном уровне материи — на уровне частиц — даже такого понятия, как время, не существует. Там, конечно, есть некие планковские «тики» в 10-43 секунд, за которые фотон преодолевает минимально возможное расстояние, — планковскую длину. Но это совсем не время — между «тиками» нет больше никаких временных промежутков, и в пределах самого «тика» время тоже не течет. Это как некий физический квант мгновения, но совсем не время в нашем привычном понимании. Выходит, что те же фотоны, как и другие «обитатели» микромира, перемещаются лишь в пространстве.

На макроуровне же законы, на которых зиждятся основополагающие теории «большого мира» — Общая теория относительности и теория Стандартной модели физики частиц, —  абсолютно симметричны по времени, то есть «равнодушны» к изменениям этой переменной. Все это наталкивает ученых на мысль, что в реальности мы живем в некой «безвременной» Вселенной и концепция времени как четвертой координаты пространства-времени может быть ошибочной. На самом деле то, что мы называем временем — лишь нумерологический порядок физических изменений.

Вот, например, известный парадокс Зенона, который демонстрирует проблематичность восприятия времени как одной из четырех координат, в которых мы перемещаемся. Представьте себе отличного спортсмена-бегуна Ахиллеса и среднестатистическую черепаху. Они решили посоревноваться в беге наперегонки. Справедливый Ахиллес решает дать черепахе фору — и та вырывается вперед на 100 метров. После этого стартует и Ахиллес. Учитывая, что Эйнштейн постулировал, что пространство неразрывно связано со временем, будем рассматривать движение обоих бегунов и в пространстве, и во времени. Пусть Ахиллес пробегает эти 100 метров за 10 секунд. Однако ведь эти 10 секунд черепаха продолжает двигаться, а значит, проходит дополнительно еще какое-то расстояние. Ахиллес снова преодолевает это расстояние, но опять же тратит на это какое-то время, за которое черепаха тоже продвигается в пространстве. Выходит, что в пространстве-времени Ахиллес никогда не догонит черепаху, ведь она всегда будет продвигаться вперед за то время, которое бегун будет преодолевать первоначальный разрыв между ними. Очевидно, что такая обрисовка ситуации звучит абсурдно. Если же мы откинем эту концепцию четвертой координаты, то спортсмен сможет беспрепятственно перегнать черепаху в пространстве, а время лишь установит нумерологический порядок пересечения ими финишной ленты.

Иллюстратор Ирина Ефремова

По этим причинам от физиков можно услышать про теорию так называемой «блоковой Вселенной» — модели Вселенной как статичного блока из пространства и времени, в которой перемещение во времени и его течение вообще являются лишь иллюзией, ошибочным представлением человека. На самом деле мы просто взяли работающий периодически механизм — часы — для упорядочивания нашей жизни. Мы определяем частоту, нумерологический порядок материальных изменений, отметку на часах, на которой должна быть стрелка в момент важной встречи, но не время в контексте физической сущности.

 «Смазанное» время

И на этом неприятности, связанные с физической категорией времени, не заканчиваются. Как показало недавнее исследование, проведенное физиками-теоретиками из Венского университета Австрийской академии, мы также никогда не можем быть уверены в том, что наши часы достаточно точны. Все оттого, что точность часов имеет склонность «смазываться» под влиянием соседних часов! И объяснение этому можно дать опять-таки через объединение Общей теории относительности с квантовой механикой.

Вот как это происходит. Для начала установим, что наши часы — некая изменяющаяся (динамическая) физическая система. Система, способная измерять время (в нашем понимании). Мы задаем системе задачу «тикать» с определенным интервалом в единицу времени (секунду). При этом состояние системы будет меняться в момент «тика», то есть когда будет протекать единица времени. При изменении состояния системы изменяется и ее энергия — система затрачивает ее при каждом своем «тике».

А теперь обратимся к квантовой механике. Здесь действует довольно известный принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно ему, существует некая неопределенность в измерении пары физических характеристик системы: чем точнее вы можете измерить одну из них, тем менее точно будет измерена другая. К примеру, чем точнее вы сможете определить положение частицы (с помощью направления на нее света), тем менее точно вы будете способны измерить ее скорость (ведь квант света внесет возмущения в ее движенние). Точно так же этот принцип может быть применен и к нашей макроскопической системе — часам. Выходит, что чем больше точность наших часов в измерении времени, тем больше неопределенности в их энергии.

Это ограничение имеет довольно весомую роль, когда мы добавляем ко всей сложившейся картине Общую теорию относительности. Известное эйнштейновское E=mcуказывает на эквивалентность энергии массе. Это значит, что энергия наравне с массой способна искривлять пространство-время, создавая гравитационное поле и, соответственно, влиять на скорость хода времени. Как уже отмечалось, согласно квантовой механике, точные часы имеют неограниченную неопределенность в своей энергии. А из Общей теории относительности выходит, что чем больше неопределенность в отношении энергии, тем больше неопределенность в течении времени в окрестностях часов.

Таким образом, в силу своей бесконечно неопределенной энергии точные часы способны спровоцировать гравитационное замедление времени ближайших часов и прямо-таки замедлить их «тиканье». При этом  важно, что такое «смазывание»  точности часов происходит независимо от того, из какого материала они изготовлены и какую конструкцию механизма имеют — это априори существующая закономерность для таких систем.

Иллюстратор Ирина Ефремова

Это свежее открытие, по словам исследователей, также сигнализирует о необходимости пересмотра учеными представлений о природе времени

Новая теория в физике?

Чувствуя некий «кризис» времени в физике, ученые сегодня стали посвящать множество научных работ этой проблематике, проводить конференции и научные дебаты с соответствующей тематикой. Вполне возможно, что теория физики времени станет новой «идеей фикс» ведущих умов мира после квантовой теории гравитации. А возможно даже, что именно новый взгляд на время в физике и посодействует формированию последней, про что неоднократно заявляют авторитетные физики-теоретики.

0 комментариев

Комментариев пока нет, будьте первым.

Добавить комментарий

наверх