18
Время не ждёт. Мы все это чувствуем, но редко задумываемся о причине этого и о смысле времени вообще. Чаще всего у нас, обычных людей, нет времени думать о времени. А вот у некоторых физиков в этом заключается суть их работы.
В обычной жизни мы привыкли делить время на три категории: прошлое, настоящее и будущее. Даже если такое разделение кажется очевидным, суть его при дальнейшем анализе постепенно размывается. Нам нужно настоящее, чтобы определить и отделить прошлое от будущего. Но что такое «настоящее»?
Всё, что определяется временем, должно иметь продолжительность. Мы можем измерить продолжительность прошедших событий и прикинуть длительность будущих. Но настоящее как будто вообще не имеет продолжительности — это точка между прошлым и будущим на временной прямой. Это абстракция, не имеющая длительности. Следует ли из этого, что настоящего не существует?
С другой стороны, у нас есть ощущение настоящего. Наш разум создаёт ощущение длительности, чтобы мы могли приписать реальность тому, что мы называем «сейчас».
Время — это, по сути, мера изменений. Когда всё остаётся неизменным, время не нужно.
В конце XVII века Исаак Ньютон определил то, что мы называем абсолютным временем, — время, которое течёт равномерно, как полноводная река, и одинаково для всех наблюдателей, то есть людей или приборов, производящих измерения движущихся предметов. В начале XX века Альберт Эйнштейн заявил, что такое представление о времени является грубым приближением к тому, что происходит на самом деле. По его словам, время и длительность зависят от относительного движения между наблюдателями.
Известным примером является определение одновременности. Эйнштейн объяснил, что два события, которые происходят одновременно для наблюдателя A, происходят в разное время для наблюдателя Б, находящегося в движении относительно A.
Вдохновлённый железнодорожной станцией перед своим домом в Берне, Эйнштейн использовал поезда для иллюстрации своей революционной идеи. Представьте, что А стоит на вокзале, а мимо проезжает поезд. Когда поезд проходит ровно половину пути, в его переднюю и заднюю части ударяют две молнии. Наблюдатель А измеряет время, за которое свет от обоих ударов доходит до него, и приходит к выводу, что они появились в одно и то же время: Они были одновременными.
Наблюдатель Б, однако, находился внутри движущегося поезда. Для него разряд молнии, ударивший в переднюю часть поезда, дошёл до него раньше, чем тот, что ударил в заднюю часть. Поскольку свет движется с одинаковой скоростью, а поезд движется вперёд, то молния, ударившая спереди, пройдёт меньшее расстояние и, следовательно, попадёт к наблюдателю Б раньше молнии, ударившей сзади, которой пришлось догонять движущийся поезд.
При обычной скорости поезда эта разница до смешного мала. Именно поэтому мы не замечаем таких вещей в обычной жизни. И именно поэтому ньютоновское приближение абсолютного времени, не зависящего от движения наблюдателя, работает для повседневных вещей. Но когда скорости увеличиваются и приближаются к скорости света, различия становятся заметными. Этот эффект был бесчисленное количество раз измерен в лаборатории и в других экспериментах, что подтверждает специальную теорию относительности Эйнштейна.
На этом Эйнштейн не остановился. Десять лет спустя, в 1915 году, он опубликовал общую теорию относительности (ОТО), показав, что если включить в неё ускоренные движения, мы должны переосмыслить гравитацию и природу пространства и времени в целом. Эйнштейн понял, что гравитация идеально имитирует ускорение (например, когда вы поднимаетесь или опускаетесь в скоростном лифте и чувствуете, как меняется ваш «вес»).
Грубо говоря, когда существует гравитационное притяжение, удаляться от него становится всё труднее. Даже свет подвержен его влиянию, но не в плане скорости, а в плане волновых свойств: он становится растянутым, когда пытается удалиться от области с сильной гравитацией, например, от звезды или, что ещё труднее, от чёрной дыры. Если представить себе световую волну как своего рода часы (например, можно подсчитать, сколько гребней волны проходит мимо вас в секунду), то можно увидеть, что гравитация уменьшает количество проходящих гребней. Чем сильнее гравитация, тем меньше гребней вы насчитаете. А это означает, что гравитация замедляет время.
Но и ньютоновская и эйнштейновская картины мира мало что говорят о природе самого времени. Обе они представляют собой вечные «блочные» вселенные, в которых время является измерением, непохожим на пространство, поэтому там всё существует одновременно (не с точки зрения моментальных событий, а с точки зрения разворачивающегося на этой «сцене» спектакля). Уравнения Эйнштейна позволяют разным наблюдателям расходиться во мнениях о длительности временных интервалов, но сам пространственно-временной континуум — это неизменная сцена. В квантовой механике, как и в механике Ньютона и релятивистских теориях Эйнштейна, законы физики, управляющие микроскопическим миром, выглядят одинаково как при движении вперёд, так и назад во времени. Даже новаторские догадки теоретиков, считающих время эмерджентным феноменом, возникающим из более первобытного, вневременного состояния, больше касаются того, что делает время, чем того, как оно ощущается. Течение времени не фигурирует в современных теориях физики.
Большую часть последних нескольких столетий сознание считалось для физики чем-то запредельным, слишком сложной проблемой. По мере того как учёные проникали все глубже в ядро атома и ближе к звёздам, самосознание и вопиющий контраст между нашим опытом течения времени и нашими вечными математическими теориями оставались в подвешенном состоянии. Как такое могло произойти? Разве наука не должна проверять себя на опыте? Это несоответствие может помочь объяснить, почему так много студентов не только не «понимают» физику, но и положительно отталкиваются от неё. Где они находятся в картине мира, нарисованной физиками? Где жизнь, а где смерть? Где течение времени?
Всё становится ещё более туманным, когда мы задумываемся о происхождении Вселенной. Слово «происхождение» уже говорит об этом: это момент времени, когда возникла Вселенная в том виде, в котором мы её знаем; по сути, когда время начало тикать. Как это произошло, остаётся загадкой, которая порождает целый ряд концептуальных трудностей. А уж если принять, что сама Вселенная включает в себя всё пространство-время, то как можно говорить о её «эволюции во времени»?
В современной физике главный конфликт, т. н. «проблема времени», возникает на стыке общей теории относительности и квантовой механики. Квантовая механика рассматривает течение времени как универсальное и абсолютное, в то время как ОТО считает его «податливым» и относительным. Эта проблема поднимает вопрос о том, что такое время в физическом смысле и является ли оно действительно реальным, отдельным явлением. С ней также связан вопрос о том, почему время кажется «текущим» в одном направлении, несмотря на то, что никакие известные физические законы на микроскопическом уровне, похоже, этого не требуют.
В классической механике времени придаётся особый статус в том смысле, что оно рассматривается как классический фоновый параметр, внешний по отношению к самой системе. Эта особая роль прослеживается в стандартной копенгагенской интерпретации квантовой механики: все измерения наблюдаемых величин производятся в определённые моменты времени, и вероятности приписываются только таким измерениям.
В общей теории относительности время не является уникальным фоновым параметром, а представляет собой одну из координат, пусть и не похожую на пространственные. Полевые уравнения общей теории относительности не используют время как параметр, а формулируются в терминах пространства-времени. Многие вопросы, связанные с проблемой времени, существуют и в рамках общей теории относительности.
Один из первых прорывов в этой области произошёл в середине 1960-х годов. Физики Джон Уилер и Брайс ДеВитт успешно объединили ранее несовместимые идеи в ключевом результате, который с тех пор стал известен, как уравнение Уилера-ДеВитта и породил теорию, известную как «каноническая квантовая гравитация».
Но физикам не потребовалось много времени, чтобы понять, что, решив одну важную проблему, уравнение Уилера-ДеВитта породило другую. Новая проблема заключалась в том, что время в этом уравнении не играет никакой роли. По сути, оно утверждает, что во Вселенной никогда ничего не происходит, и это предсказание явно противоречит данным наблюдений.
В 1983 году теоретики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс предложили новое решение, основанное на квантовом явлении запутывания — когда свойствах двух квантовых частиц зависят друг от друга, даже если они физически разделены.
Пейдж и Вуттерс показали, как запутанность можно использовать для измерения времени. Их идея заключалась в том, что эволюция пары запутанных частиц — это своего рода часы, которые можно использовать для измерения изменений.
Но результаты зависят от того, как именно ведётся наблюдение. Один из способов сделать это — сравнить изменения в запутанных частицах с внешними часами, которые совершенно не зависят от Вселенной. В этом случае Пейдж и Вуттерс показали, что частицы будут выглядеть совершенно неизменными — времени в этом сценарии не существует.
Но есть и другой способ, который даёт иной результат. В этом случае наблюдатель внутри Вселенной сравнивает эволюцию частиц с эволюцией остальной Вселенной. В этом случае внутренний наблюдатель увидит изменения, и эта разница в эволюции запутанных частиц по сравнению со всем остальным является важной мерой времени.
Иными словами, эта идея предполагает, что время — это эмерджентное явление, которое возникает из-за свойств квантового запутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри Вселенной. Любой наблюдатель снаружи видит статичную, неизменную Вселенную, как и предсказывают уравнения Уилера-ДеВитта.
Конечно, без экспериментального подтверждения идеи Пейджа и Вуттера — всего лишь идеи, а наблюдать за Вселенной снаружи мы не можем. Казалось, что шансов проверить эту идею практически нет.
Однако физикам удалось поставить эксперимент на эту тему, изучающий поведение фотонов, и показать, что в рамках их экспериментальной установки время действительно является эмерджентным феноменом для «внутренних» наблюдателей, но отсутствует для внешних.
Их игрушечная вселенная состояла из пары запутанных фотонов и наблюдателя, который может измерить их состояние одним из двух способов. В первом случае наблюдатель измеряет эволюцию системы, становясь запутанным с ней. Во втором случае наблюдатель измеряет эволюцию по внешним часам, которые совершенно не зависят от игрушечной вселенной.
У каждого из запутанных фотонов есть поляризация, которую можно изменить, пропустив его через особую пластину. В первом случае наблюдатель измеряет поляризацию одного фотона, тем самым запутываясь с ним. Затем он сравнивает её с поляризацией второго фотона. Разница становится мерой времени.
Во втором случае фотоны снова проходят через пластины, которые меняют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.
В этом случае наблюдатель не может обнаружить никакой разницы между фотонами. А если разницы нет, то ничего и не произошло — система кажется статичной. Другими словами, времени в системе не возникает. Конечно, теперь будет замечательно развить идею этого эксперимента до макроскопических масштабов, перейти от фотонов к чему-то более осязаемому.
Есть и ещё одна теория, пытающаяся помирить ОТО с квантовой физикой — петлевая квантовая гравитация (ПКГ). Её уникальный подход состоит в том, что она квантует и пространство, и время. В её парадигме пространство не является непрерывным, а состоит из крошечных, дискретных единиц планковских размеров, около 10-35 м.
Это квантование достигается за счёт использования спиновых сетей, которые представляют собой квантовые состояния гравитационного поля. Эти сети эволюционируют со временем, создавая «спиновую пену», которая отображает историю этих квантовых состояний. Рассматривая пространство и время как гранулы, ПКГ обеспечивает общую почву, на которой одновременно могут сосуществовать вероятностные элементы квантовой механики и геометрическая природа общей теории относительности. Заодно ПКГ решает проблему сингулярностей — точек с бесконечной плотностью материи.
Уравнения ПКГ не зависит от фона, от какой-то сцены действия. Вместо этого предполагается, что они порождают пространство и время на расстояниях, в 10 раз превышающих планковскую длину. А гравитационное взаимодействие представляется как просто одно из полей, формирующих мир — это т. н. реляционистская интерпретация пространства-времени. К сожалению, у ПКГ есть свои, нерешённые до сих пор сложности, иначе мы бы уже праздновали появление «теории всего».
Проблема времени остаётся одной из самых сложных в современной физике. Разные интерпретации времени в ОТО и квантовой механике пока не удаётся согласовать, что тормозит создание единой «теории всего». Возможно, решение потребует радикально нового подхода, пересматривающего саму природу времени.
Изучение времени — это не просто поиск ответов на абстрактные вопросы, а путешествие к самым основам реальности.
Отсюда:
https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/930072/ Может, нам вечно не хватает времени, потому что его в принципе не существует? / Хабр
Размещено через приложение ЯПлакалъ
yaplakal.com