Пространство и Время

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://www.youtube.com/watch?v=7zQcmmiZBMA

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://dzen.ru/a/ZhirYLhpp1uOUpT-
Существует ли время на самом деле?


В философском смысле нас учат сомневаться и ставить под вопрос всё. Даже реальность нас самих и нашего опыта подлежит обсуждению, поскольку мы должны делать определённые предположения о том, насколько можно доверять нашим сенсорам — и нашим собственным чувствам, в конце концов — чтобы прийти к каким-то удовлетворительным выводам. Конечно, некоторые вещи могут казаться реальными, но не может ли быть так, что эти видимости обманчивы, и что величины или концепции, которые мы принимаем как должное, могут быть не более чем очень убедительными иллюзиями?




Пример светового конуса, трехмерной поверхности всех возможных световых лучей, приходящих и исходящих из точки пространства-времени. Чем больше вы перемещаетесь в пространстве, тем меньше вы перемещаетесь во времени, и наоборот. Только вещи, содержащиеся в вашем прошлом световом конусе, могут повлиять на вас сегодня; только вещи, содержащиеся в вашем будущем световом конусе, могут быть восприняты вами в будущем.

С физической, научной точки зрения, однако, такие вопросы имеют другое значение. Мы узнали много удивительных и контринтуитивных уроков из наших исследований времени. Время относительно, а не абсолютно. Время всегда движется вперёд, а не назад, но мы всё ещё не имеем объяснения стрелы времени. Термодинамически, у Вселенной есть стрела времени, которая «течёт» в том же направлении, что и увеличение энтропии. И когда мы изучаем Вселенную на фундаментальном уровне, оказывается, что время может вовсе не быть фундаментальным.
Но само существование? Очень, очень трудно лишить время этого свойства и всё ещё оказаться во Вселенной, согласующейся с тем, что мы наблюдаем. Вот почему.


Этот фрагмент моделирования формирования структуры с масштабированием расширения Вселенной представляет собой миллиарды лет гравитационного роста в богатой темной материей Вселенной. Заметим, что волокна и богатые скопления, образующиеся на пересечении нитей, возникают в первую очередь за счет темной материи; обычная материя играет лишь незначительную роль. Однако независимо от того, присутствуют люди или какие-либо другие формы жизни или нет, для существования во Вселенной все равно требуется время.

Когда речь заходит о вопросе существования, физика очень проста и прямолинейна в том, что она считает удовлетворительным ответом.
Можно ли это измерить?
Можно ли это количественно оценить?
Можно ли это определить математически последовательным образом?
Это само по себе наблюдаемая величина, и зависят ли от неё другие наблюдаемые вещи неотделимым образом?
Если ваши ответы на эти вопросы положительны, из этого нет выхода: у вас есть величина, которая существует.
Причина проста: насколько это касается реальности, «что есть реальное» — это то, что само по себе измеримо, наблюдаемо, количественно оцениваемо и не патологично. В терминах обывателя, патологичным является то, что происходит, когда вы задаёте разумный вопрос Вселенной, и в ответ получаете несогласованную ерунду. Есть много вопросов, которые вызывают патологическое поведение, и в этих случаях патологии указывают нам на то, что предстоит ещё работа. "Что происходит в центральной сингулярности чёрной дыры?" "Что происходит с квантовыми флуктуациями на длинах меньше планковской длины?" "Что происходит, когда масса перемещается через искривлённое пространство-время под воздействием этой массы?" Все эти вопросы в настоящее время так же патологичны, как деление на ноль.


Даже для такой сложной сущности, как массивная вращающаяся черная дыра (черная дыра Керра), как только вы пересечете (внешний) горизонт событий, независимо от того, из какого типа материи или излучения вы состоите, вы упадете к центральному центру. сингулярность и увеличить массу черной дыры. Однако то, что происходит в центральной сингулярности, не очень хорошо описано современной физикой, поскольку ее поведение является патологией.

Можно подумать, тогда, что, возможно, само время патологично. Конечно, мы можем его измерить, количественно оценить и даже наблюдать как его прохождение, так и последствия его прохождения. Но не должно ли иметь значение то, что ваши измерения "сколько времени прошло" между началом и концом события полностью зависят от того, где вы находитесь и как движетесь во время этих наблюдений?
Например, если вы находитесь в движущемся поезде и стреляете световым лучом от одного конца поезда к другому, вы получите значение времени, за которое свет достигнет дальнего конца поезда. Однако если вы находитесь на платформе и наблюдаете за человеком в поезде, стреляющим светом от одного конца к другому, вы получите другой ответ.
Для человека в движущемся поезде они измерят, что должно пройти определённое количество времени, чтобы свет достиг дальнего конца поезда. Но для человека на земле они не только получат другой, более длительный ответ, но и придут к выводу, что человек (и, кстати, всё) в поезде на самом деле стареет медленнее, чем они. Для неподвижного наблюдателя объект в движении стареет медленнее, чем объект в покое.


На этой иллюстрации световых часов показано, как, когда вы находитесь в состоянии покоя (слева), фотон перемещается вверх и вниз между двумя зеркалами со скоростью света. Когда вы ускоряетесь (движетесь вправо), фотон также движется со скоростью света, но ему требуется больше времени, чтобы колебаться между нижним и верхним зеркалом. В результате время для объектов, находящихся в относительном движении, замедляется по сравнению с неподвижными.

Это парадоксально? Это патологично?
Вовсе нет. Отмечая о времени, что «оно относительно», не означает, что оно патологично. Для нашего вопроса о свете, перемещающемся от одного конца движущегося поезда к другому, возможно, что поезд может остановиться, и наблюдатель «на земле» и наблюдатель «в поезде» могут встретиться снова. Их измерения будут различаться индивидуально, но они будут согласованно различными друг с другом. Когда вы выполняете расчёты того, сколько времени проходит для одного наблюдателя по сравнению с другим, каждый наблюдатель сможет правильно предсказать не только то, что покажут их собственные часы и часы, но и часы другого наблюдателя. Всё, что нужно, — это знание специальной теории относительности.
Да, вы получаете разные ответы на вопрос "сколько времени прошло?" или "когда произошло это событие?" или даже "какое событие произошло первым?" в зависимости от того, где вы находитесь и как движетесь, но никто не более "прав" или "неправ" чем кто-либо другой. Вместо этого нам просто нужно трансформировать наше представление о времени — согласно законам относительности — чтобы оно соответствовало тому, что кто-то в другом месте или движущийся с другой относительной скоростью заключил бы.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Траектории мяча, находящегося в середине отскока, определяются законами физики, но время для нас течет только в будущее.

Итак, понятие, что «время относительно», не достаточно, чтобы утверждать, что время не существует. Но может ли быть так, что, возможно, мы только воспринимаем время как существующее, и что оно на самом деле не является реальным?
Мы можем рассмотреть это с определённой точки зрения: глядя на понятия симметрий в физике. В конце концов, законы физики, по крайней мере так, как мы их знаем, симметричны относительно времени. Если вы наблюдаете за падающим под влиянием гравитации шаром, вы не знаете, происходит ли:
- вы наблюдаете за временем, идущим вперёд, поскольку гравитация тянет шар вниз из поднятого положения выше того места, где вы сейчас смотрите,
- или вы наблюдаете за временем, идущим назад, поскольку шар, брошенный вверх с более низкой позиции, поднимается всё выше и выше, пока сила гравитации сопротивляется его движению.
На самом деле почти все законы физики — включая движение, гравитацию, электромагнетизм и даже сильное ядерное взаимодействие — полностью обратимы во времени. Они одинаковы вперёд и назад во времени, и вы не можете определить, просто наблюдая за разворачивающейся физической системой, что происходит на самом деле.


Тяжёлые, нестабильные элементы будут радиоактивно распадаться, обычно с испусканием альфа-частицы (ядра гелия) или путём бета-распада, как показано здесь, где нейтрон превращается в протон, электрон и анти-электронное нейтрино. Оба эти типа распадов изменяют атомный номер элемента, дают новый элемент, отличный от исходного, и приводят к меньшей массе продуктов по сравнению с реагентами.

Но есть два способа, которыми мы можем определить физический способ, которым продвижение вперёд во времени отличается от продвижения назад во времени. Первый — это изучение реакций, протекающих через слабое ядерное взаимодействие, такие как радиоактивные распады.
Давайте представим, что у вас есть тяжёлый атомное ядро, полное протонов и нейтронов. Если в этом ядре большое количество нейтронов по отношению к данному количеству протонов, есть шанс, что ядро претерпит конкретный тип радиоактивного распада: бета-распад. Бета-распад происходит, когда один из нейтронов в ядре распадается на протон, электрон и анти-электронное нейтрино, и это даже может произойти для свободных (несвязанных) нейтронов, которые не являются частью какого-либо большего атомного ядра.
Часто бывает, что нейтрон распадается на протон, электрон и анти-электронное нейтрино. Но никогда не случается, чтобы протон, электрон и анти-электронное нейтрино спонтанно реагировали вместе, образуя нейтрон. Фактически, в разнообразных отношениях слабое взаимодействие является эталоном для асимметричных реакций в физике во времени.


Когда лёд кладут в жидкую воду, лёд тает, и вода понижает свою температуру. Конечное состояние, полностью растаявшего льда, приближает нас не только к термодинамическому равновесию, чем исходное состояние, но и из него можно извлечь меньше энергии, чем из исходного состояния.

Второй способ, однако, ещё более знаком большинству из нас. Каждый раз, когда вы: взбалтываете яйцо, готовите яичницу-болтунью, роняете полный стакан воды на землю и наблюдаете, как он разбивается, или просто открываете дверь между горячей и холодной комнатами, вы создаёте ситуацию, в которой будет существовать термодинамическая стрела времени.
Вы, возможно, слышали о понятии энтропии ранее, которое часто неправильно определяется как «мера беспорядка» вашей системы. Но на самом деле происходит следующее: любая физическая система, которую вы можете взять, будет иметь внутри себя какой-то уровень энергетических градиентов. Если у вас есть не взбитое яйцо, существует энергетический градиент между белком (белой частью) и желтком; барьер вокруг желтка предотвращает равномерное смешивание. В сыром яйце есть химическая потенциальная энергия, которая будет высвобождена — и образуются новые связи — если вы приготовите яйцо. Есть потенциальная энергия в структуре стекла, и разрушение его высвободит её.
Но, возможно, из всех примеров, рассмотрение горячей и холодной комнаты, находящихся рядом друг с другом, является самым умным способом говорить об энтропии.


Эта иллюстрация показывает две стороны комнаты: горячую и холодную, с демоном между ними, способным открывать и закрывать перегородку между ними. Если перегородку открыть, газы смешаются.

Если у вас большое количество частиц на горячей стороне комнаты, они все будут находиться в том, что мы называем термодинамическим равновесием друг с другом. По мере того как они сталкиваются друг с другом и взаимодействуют, ни одна часть горячей стороны не будет нагреваться или охлаждаться; нет энергетического градиента, по которому тепло могло бы течь от одной части этой комнаты к другой. (Холодная сторона имеет точно такие же свойства, за исключением того, что термодинамическое равновесие происходит при гораздо более низкой температуре.)
Но теперь, что если вы уберёте перегородку, которая разделяет горячую сторону комнаты от холодной? Что произойдет?
Ответ заключается в том, что горячие и холодные частицы смешаются и создадут комнату промежуточной температуры, где все частицы придут к одной и той же температуре равновесия. До достижения равновесия из системы можно извлечь энергию; после этого — нет. Когда мы говорим о состоянии максимальной энтропии, мы имеем в виду состояние, из которого больше нельзя извлечь энергию; система максимальной энтропии не может выполнять работу, как говорят в физике.


Система, настроенная в исходных условиях слева, с разделёнными горячей и холодной комнатами, приведёт к тому, что каждая комната достигнет своего собственного термодинамического равновесия. Если перегородка, разделяющая две комнаты, откроется, газы в комнатах смешаются, увеличивая энтропию в процессе.

Работа физически реальна; энтропия физически реальна; термодинамика физически реальна. Время, как измеримая и наблюдаемая и количественно оценимая величина, ничем не отличается от любой из этих.
Тем не менее, есть два важных оговорки в этом обсуждении. Хотя время действительно реально, важно помнить следующие факты.
Мы не знаем, что вызывает наше воспринимаемое направление времени. Мы всегда наблюдаем, как время течёт вперёд, а не назад; мы признаём течение времени и подчиняемся законам физики, движущимся вперёд во времени, так же как все физические объекты и величины. Но независимо от того, остаётся ли энтропия вашей системы постоянной, увеличивается медленно, увеличивается быстро или даже искусственно уменьшается за счёт ввода энергии в неё, воспринимаемое направление времени никогда не перестаёт течь и не меняет направления на обратное. Хотя время определённо реально, оно может быть или не быть фундаментальным. В нашем нынешнем способе взгляда на Вселенную мы рассматриваем что-то вроде энтропии как производную величину и рассматриваем время как будто оно фундаментально. Однако математически возможно рассматривать энтропию как будто она фундаментальная величина, а затем время ведёт себя так, как будто оно может быть производной величиной. Мы пока не знаем достаточно о Вселенной, чтобы много говорить о потенциальной действительности этого подхода.


Когда квантовая частица приближается к барьеру, она чаще всего взаимодействует с ним. Но существует конечная вероятность не только отражения от барьера, но и прохождения через него. Фактическое развитие частицы определяется только измерением и наблюдением, и интерпретация волновой функции применяется только к неизмеренной системе; как только её траектория будет определена, «прошлое» будет полностью классическим в своём поведении.

Несмотря на популярную тенденцию ставить под вопрос природу времени, его физическая «реальность» не вызывает сомнений. Время является неотъемлемой частью Вселенной, и граница между событиями, которые были наблюдены или измерены с определённым исходом, и теми, чей исход ещё не решён, является лучшим способом, которым мы можем точно определить, что мы подразумеваем под моментом «сейчас». Как выдающийся физик Ли Смолин сказал в эксклюзивном интервью с ним:
«в копенгагенской версии квантовой механики существует квантовый мир и классический мир, и граница между ними: когда вещи становятся определёнными. Когда вещи, которые неопределены в квантовом мире, становятся определёнными. И то, что они пытаются сказать, это то, что это фундаментальное событие, происходящее в природе, когда вещи, которые неопределены, становятся определёнными. И вот что такое «сейчас». Момент сейчас, настоящий момент, который, как говорят все эти люди, отсутствует в науке и отсутствует в физике, это переход от неопределённого к определённому».
Время может быть или не быть фундаментальным, и наше воспринимаемое направление времени может быть или не быть (моё предположение — «не быть») связанным с термодинамическим направлением времени. Но тот факт, что мы можем его измерить, наблюдать и количественно оценить, должен развеять любые сомнения в его несуществовании.