Существует ли время на самом деле?
Для физики время не делится на прошлое, настоящее и будущее. Но для людей все совершенно иначе. У нас есть воспоминания, ожидания и настоящие ощущения. Для нас ось времени движется только вперед и никак иначе. Но если для науки не существует будущего и прошлого, не значит ли это, что время, каким мы его воспринимаем, существует лишь в наших головах? Некоторые ученые действительно считают, что так оно и есть на самом деле. Об этом и пойдет речь прямо сейчас.
Но перед тем, как мы начнем, стоит оговориться: ни эта статья, ни тем более ученые, не отрицают существования времени в принципе – это занятие для адептов альтернативной науки. Цель, которая стоит перед нами сейчас, – порассуждать на тему того, существует ли время на самом деле таким, каким мы его воспринимаем, движется ли оно в том направлении, в котором мы его чувствуем.
Как работает время?
Как утверждают некоторые ученые, время – это следствие взаимодействия элементарных частиц. Пока они не контактируют друг с другом, оно на них не действует. Но как только начинается процесс их взаимодействия, они собираются в более крупный объект, который уже подчиняется законам классической механики и движется по временной оси.
Как работает время
Однако недавно появилась новая теория, которая говорит о том, что гравитация недостаточно сильна для того, чтобы все частицы во Вселенной, собранные в отдельные объекты, двигались в одну сторону во времени. Поэтому физики, которые выдвинули эту теорию, считают, что временную ось направляют для себя отдельные субъекты, наблюдатели. Проще говоря, нам кажется, что время направлено вперед, потому что мы его так воспринимаем.
Одна из главных проблем современной науки заключается в том, что квантовая и классическая механики никак не «подружатся». Например, в квантовом мире работает принцип суперпозиции – частица может одновременно существовать в нескольких состояниях и даже быть в разных местах, пока на нее не будет оказано какое-либо воздействие. Достаточно простого наблюдения на электрон, чтобы он принял одно конкретное состояние. Исходя из этого получается, что узнать, где частица действительно находится, можно лишь экспериментально и никак иначе.
Но все меняется, когда электрон начинает взаимодействовать с другими частицами. Здесь в игру вступает классическая физика, и это взаимодействие начинает подчиняться гравитации. То есть, как только атомы начинают собираться вместе, образуя более крупный объект, они перестают следовать своим законам квантовой механики. Их индивидуальные позиции уже не имеют никакого значения, они смешиваются, а вероятность суперпозиции существенно снижается. Поэтому атомы, собираясь в условную кружку на столе, всегда будут оставаться на месте. Вы никогда не увидите эту же кружку одновременно и на столе, и где-нибудь на полке.
Время
Понятие декогеренции
Декогеренция – точка взаимодействия квантовой и классической механик.
Физика говорит, что декогеренция появляется лишь тогда, когда направление временной оси становится математически значимым. Исходя из этого, некоторые ученые выдвинули предположение, что все направление стрелы времени существует только из-за декогеренции.
Объяснить это с научной точки зрения помогает нашумевшее в ученых кругах уравнение Уиллера-Девитта. Ученые как-то обсуждали различные теории, составляли уравнения, пока сидели в зале ожидания аэропорта. В итоге, просто убивая время, они вдруг вывели уравнение, которое, по мнению Уиллера позволяло увидеть точку соприкосновения физики элементарных частиц и классической.
Пусть уравнение и держалось на чистом энтузиазме, по итогу оно оказалось действительно значимым для науки. Многие ученые сошлись во мнении, что оно помогает понять странности декогеренции и разобраться в теории квантовой гравитации.
Понятие декогеренции
Особенно интересен в этом уравнении тот факт, что в нем в принципе отсутствует переменная времени, однако этот параметр все равно является основой всего. Объясняется это тем, что в физике время – это лишь переход от одного состояния к другому или перемещение между двумя точками пространства. Поэтому как таковая переменная времени здесь не понадобилась.
Но давайте вернемся к той самой новой теории времени. Согласно ей, в уравнении Уиллера гравитация не такая сильная, чтобы заставить все частицы принять одно состояние и двигаться вперед во времени. Поэтому ее нельзя считать единственной верной временной осью.
Один из главных популяризаторов данной теории, биолог Роберт Ланза, задается вопросом, почему Уиллер не говорит о том, как именно происходит выбор направленности времени. Интересный вопрос от биолога и сторонника биоцентризма, но все же он не лишен смысла.
Ланза утверждает, что частицы остаются в суперпозиции ровно до того, как начнется процесс их декогеренции, во время которого они соберутся в один большой объект. Тогда они начнут подчиняться силе гравитации, которая должна быть очень сильной, чтобы заставить каждую частицу принять одно и то же положение и двигаться в одном направлении. Если гравитация будет слишком слабой, то этого не произойдет.
Гравитация способна вызывать декогеренцию больших квантовых систем
Так существует ли время?
Если физика и математика не способны решить эту проблему, может никакой проблемы и нет вовсе? Что если направленность времени зависит не от гравитации, а от конкретного субъекта, то есть наблюдателя? Вряд ли будет корректно заявить о том, что мы «придумали» ось времени. Просто мы так устроены, что можем воспринимать время, текущее лишь в одном направлении. Исходя из этой теории, где-то на другом конце Вселенной время может течь в обратном направлении. Проблема лишь в том, что мы не сможем этого уловить. Даже если мы посмотрим в очень мощный телескоп на другой край Вселенной, мы все равно увидим, как время там движется в привычном нам направлении. Потому что по-другому мы просто не способны его воспринимать.
Ланза также приводит пример того, что еще Эйнштейн показал, что все в этом мире относительно, даже время. Эта теория не является чем-то кардинально новым. Над этим вопросом задумывались и раньше, но единого решения нет до сих пор, потому что в ней все еще куча противоречий и несостыковок. Самый большой вопрос: имеет ли все это хоть какой-то смысл? Возможно, время действительно течет так, как мы его чувствуем. А если нет, то как узнать его истинный ход?
Время относительно
Ученые говорят, что наблюдателя нельзя исключать ни из одного уравнения хотя бы потому, что именно он их выводит и анализирует. Не поспоришь. Также сторонники этой идеи утверждают, что другие теории почему-то забывают о том, что Вселенная – это уже декогерированная система. Физика все еще не до конца сформированная наука, нам многое неизвестно. Поэтому любая интерпретация хоть чего-либо в этом мире относительна.
Как бы там ни было, никто сейчас не способен точно ответить на вопрос «на самом ли деле время такое, каким мы его ощущаем». Но рассуждать на такие темы все еще интересно.
Источник
Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?
«Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна.
Пространство и время — это две, наверное, самые неуловимые вещи в мире.
Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.
Что такое пространство-время?
Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.
«Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. «Например, величина массы Планка кажется подозрительной. Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (
10 -35 м). В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин.
Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?
Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.
Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.
В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10 -35 м, 5,39 х 10 -44 с и 2,18 х 10 -5 г. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы.
Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10 -18 м. Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Прекрасным примером будет температура. Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл.
«В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Значение планковской массы кажется подозрительным. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец
Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы. И поэтому, когда мы используем уравнения Эйнштейна, мы описывает Вселенную в больших масштабах и возникает необходимость вводить дополнительную гравитационную постоянную, известную как космологическая постоянная «лямбда». Если, при построении фундаментальных единиц, расширить наш изначальный набор трех постоянных лямбдой, в случае с массой мы получим не одно, а три фундаментальных значений: 1,39 х 10 -65 г, 2,14 x 10 56 г и 0,35 х 10 -24 г. Первую можно интерпретировать как квант массы, вторую — уровень массы наблюдаемой Вселенной, а третья напоминает массу адронов (например, масса нейтрона равна 1,67 х 10 -24 . Точно так же, принимая во внимание лямбду, появится единица измерения 6,37 х 10 -15 м, очень близкая к размеру адронов.
«Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.
Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.
«Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский.
Согласитесь с ним? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
Источник