В нашей Вселенной медленно исчезает время
Что, если временную часть в уравнении пространственно-временного континуума буквально исключить? Одно из последних исследований, возможно, свидетельствует о том, что время медленно и постепенно исчезает из нашей Вселенной и в один прекрасный день испарится совсем. Новая радикальная теория может объяснить космологическую загадку, которая морочила голову ученым в течение многих лет.
Ранее ученые измеряли свет далеких взрывающихся звезд, чтобы показать, что Вселенная расширяется, и темп этого расширения постоянно растет. Ученые предположили, что эти сверхновые разлетаются на части быстрее, чем стареет Вселенная. Физики также сделали вывод, что некая антигравитационная сила должна разводить галактики в стороны, и стали называть эту неизвестную силу «темной энергией».
Идея того, что само время может исчезнуть через миллиарды лет — и все остановится — была предложена еще в 2009 году профессорами Хосе Сеньовилла, Марком Марсом и Раулем Вера из Университета Баска Кантри в Бильбао и Университета Саламанки в Испании. Следствием этого кардинального движения самого времени к концу является альтернативное объяснение «темной энергии» — таинственной антигравитационной силы, которая была предложена для объяснения некоторых космических явлений.
Однако по сей день никто не знает, чем является темная энергия на самом деле и откуда берется. Профессор Сеньовилла и его коллеги предложили невероятную альтернативу. Ученые предложили исключить такое понятие, как темная энергия, вообще и еще раз пересмотреть наши взгляды. По мнению Сеньовиллы, мы обманываем сами себя, думая, что Вселенная расширяется, когда на самом деле это время замедляется. На бытовом повседневном уровне это замедление будет незаметно. Но если отслеживать ход Вселенной в течение миллиардов лет, то на космических масштабах все станет очевидно. Это изменение будет бесконечно медленным с человеческой точки зрения, но с точки зрения космологии, в силах которой изучать свет древних солнц, светивших миллиарды лет назад, его можно с легкостью измерить.
Предложение группы ученых, опубликованное в журнале Physical Review D, исключает темную энергию как вымысел. Вместо этого Сеньовилла объясняет появление ускорения постепенным замедлением самого времени.
«Мы не говорим, что расширение Вселенной само по себе является иллюзией, — объясняет физик. — Мы считаем, что иллюзией может быть ускорение этого расширения — это, в свою очередь, не отменяет наличие расширения, которое [для нас] наращивает свой темп».
Если время постепенно замедляется, «а мы наивно продолжаем использовать свои уравнения для определения изменений скорости расширения относительно обычного течения времени, то простая модель, продемонстрированная в нашей работе, показывает эффективное ускорение этого расширения».
В настоящее время астрономы могут определить скорость расширения Вселенной, используя так называемый метод «красного смещения». В основе этой техники лежит понимание того, что звезды, которые движутся от нас, краснее тех, что движутся в нашем направлении. Ученые ищут сверхновые определенного рода, которые стали эталоном в этом плане. Тем не менее точность этих измерений предполагает инвариантность времени по всей Вселенной. Если время замедляется, согласно новой теории, наше одинокое временное измерение медленно превращается в новое пространственное измерение. Таким образом, далекие древние звезды, за которыми наблюдают космологи из нашей перспективы, кажутся ускоряющимися.
«Наши расчеты показывают, что мы можем подумать, будто расширение вселенной ускоряется», — говорит Сеньовилла. В основе теории лежит один из вариантов теории суперструн, согласно которому наша Вселенная ограничена поверхностью мембраны, или браны, плавающей в многомерном пространстве. Спустя миллиарды лет время вообще перестанет быть временем.
«Тогда все замерзнет, словно снимок одного момента, навсегда. Нашей планеты к тому времени уже не будет».
Несмотря на всю свою радикальность и беспрецедентность, эти идеи не остаются без поддержки. Гэри Гиббонс, космолог Кембриджского университета, говорит, что у такой концепции есть свои плюсы. «Мы считаем, что время появилось в процессе Большого Взрыва, и если время может появляться, значит оно может и исчезать — это всего лишь обратный эффект».
Существует ли время?
В двух статьях, опубликованных в Physics Essays, Амрит Сорли, Дэвид Фискалетти и Дюшан Клинар предприняли попытку объяснить, что то, что мы имеем в виду под временем, на самом деле является абсолютной физической величиной, играющей роль независимой переменной (время, t, часто является осью X в системе координат, демонстрирующей эволюцию физической системы). Но, как отмечают ученые, мы никогда не измеряем t. Мы измеряем частоту и скорость объекта. Само по себе время является сугубо математической величиной и не существует физически.
Эта точка зрения означает не то, что время не существует, а то, что время имеет больше общего с пространством, нежели с идеей абсолютного времени. Таким образом, хотя четырехмерное пространство-время, как зачастую предполагают, состоит из трех измерений пространства и одного измерения времени, взгляд ученых предполагает, что было бы более корректно представлять пространство-время в виде четырех измерений пространства. Другими словами, Вселенная «безвременна».
«Пространство Минковского — не три измерения плюс время, а четыре измерения, — писали ученые. Точка зрения, согласно которой время представлено физической сущностью, в которой происходят материальные изменения, заменяется более удобной точкой зрения, в которой время будет просто числовым порядком материального изменения. Этот взгляд лучше отвечает физическому миру и лучше объясняет мгновенные физические явления: гравитацию, электростатическое взаимодействие, передачу информации в ходе эксперимента ЭПР и другие».
«Идея того, что время представляет собой четвертое измерение пространства, не принесла особого прогресса физике и находится в противоречии с формализмом специальной теории относительности. Сейчас мы разрабатываем формализм трехмерного квантового пространства на основе работ Планка. Похоже на то, что вселенная трехмерна на макро- и микроуровнях в планковских объемах. В таком трехмерном пространстве нет «сокращения длины», нет «замедления времени». А что есть, так это скорость материальных изменений, которая «относительна» в эйнштейновском смысле».
Ученые приводят пример этой концепции времени, изображая фотон, который перемещается между двумя точками в пространстве. Пространство между ними полностью состоит из планковских длин, то есть из мельчайших дистанций, которые может преодолеть фотон в момент времени. Когда фотон перемещается на планковскую длину, он описывается как передвигающийся исключительно в пространстве и не в абсолютном времени. Фотон можно рассматривать как движущийся из точки 1 в точку 2, и его позиция в точке 1 — это «перед» позицией в точке 2, в буквальном смысле, поскольку цифра 1 идет перед цифрой 2 в числовом ряде. Числовой порядок не эквивалентен временному порядку, то есть цифра 1 во времени не существует перед цифрой 2, только численно.
Без использования времени как четвертого измерения пространства-времени, физический мир можно было бы описать более точно. Как отмечал физик Энрико Прати в недавнем исследовании, гамильтонова динамика (уравнения в классической механике) крайне четко определяется без понятия абсолютного времени.
Другие ученые отмечали, что математическая модель пространства-времени не соответствует физической реальности, и предложили использовать вневременное «состояние пространства», которое обеспечило бы более точные рамки. Также ученые отмечали фальсифицируемость двух понятий времени. К примеру, понятие времени как четвертого измерения пространства — как фундаментальной физической емкости, в которой происходит эксперимент — может быть сфальсифицировано экспериментом, в котором время не существует.
«Теория абсолютного времени Ньютона не фальсифицируема; вы не можете доказать ее или опровергнуть — вы должны поверить ей, — говорит Сорли. — Теория времени как четвертого измерения пространства фальсифицируема, и своей последней работой мы показали, что вероятность такой фальсификации весьма высока. Экспериментальные данные показывают, что время — это то, что мы измеряем часами. А часами мы измеряем численный порядок материальных изменений, то есть движение в пространстве».
Ахиллес и черепаха
В дополнение к обеспечению более точного описания природы физической реальности, понятие времени как количественного порядка изменений может разрешить парадокс Зенона «Ахиллес и черепаха». В этом парадоксе Ахиллес пытается догнать черепаху в беге наперегонки. Но хотя Ахиллес может бежать в 10 раз быстрее черепахи, он никогда не обгонит черепаху, потому что всякий раз, когда Ахиллес пробегает определенное расстояние, черепаха проходит одну десятую этого расстояния. Таким образом, когда бы Ахиллес не достигал пункта, в котором была черепаха, она все равно будет немного впереди. Хотя вывод, что Ахиллес никогда не сможет обогнать черепаху, очевидно ложный, есть много других объяснений этого парадокса.
Парадокс можно разрешить, если переопределить скорость, так что скорость обоих бегунов будет определяться численным порядком их движений, а не перемещением и направлением во времени. С этой точки зрения Ахиллес и черепаха будут двигаться только через пространство, и Ахиллес точно обгонит соперника в пространстве, хотя и не в абсолютном времени.
Некоторые из последних исследований поставили под вопрос теорию, что мозг представляет время как внутренние «часы», испускающие нейронные тики, и предположили, что мозг представляет время в виде пространственного распределения, регистрируя активацию разных нейронных узлов. Хотя мы воспринимаем события как случающиеся в прошлом, настоящем или в будущем, эти понятия могут быть просто частью психологических рамок, в которых мы испытываем материальные изменения в пространстве.
В любом случае, если эту теорию и можно рассмотреть математически (в виде решения проблемы стрелы времени), остается еще один вопрос без ответа: что такое время?
Источник
Теория времени и вселенной
Один из способов быть замеченным ученым — решить действительно сложную проблему. Физик Шон Кэрролл стал чем-то вроде рок-звезды в кругах гиков, пытаясь ответить на извечный вопрос, который ни один ученый не смог полностью объяснить: что такое время?
Шон Кэрролл — физик-теоретик в Калифорнийском технологическом институте, где он занимается теориями космологии, теории поля и гравитации, изучая эволюцию Вселенной. Последняя книга Кэрролла « От вечности до сюда: поиски окончательной теории времени», является попыткой донести свою теорию времени и вселенной до физиков и нефизиков. На ежегодном собрании Американской ассоциации развития. наук, где он выступил с докладом о стрелке времени, ученые остановили его в коридоре, чтобы сказать ему, какие большие поклонники его работы.
19 февраля 2010 Кэрролл дал интервью Wired.com , чтобы рассказать о своих теориях и о том, почему приключения Марти Макфлай никогда не могут существовать в реальном мире, где время только идет вперед и никогда не возвращается. Я перевел данный интервью поскольку самому взять интервью у Шона не представляется возможным. Наслаждайтесь.
Wired.com: Можете ли вы объяснить свою теорию времени с точки зрения непрофессионала?
Шон Кэрролл: Я пытаюсь понять, как работает время. И это огромный вопрос, который имеет много разных аспектов. Многие из них возвращаются к Эйнштейну и пространству-времени, и как мы измеряем время, используя часы. Но особый аспект времени, который меня интересует, — это стрелка времени: тот факт, что прошлое отличается от будущего. Мы помним прошлое, но мы не помним будущее. Есть необратимые процессы. Бывают случаи, когда вы превращаете яйцо в омлет, но вы не можете превратить омлет в яйцо.
И мы вроде как понимаем это на полпути. Стрела времени основана на идеях, восходящих к Людвигу Больцману, австрийскому физику в 1870-х годах. Он понял, что называется энтропией. Энтропия — это просто мера беспорядочных вещей. И это имеет тенденцию расти. Это второй закон термодинамики: энтропия растет со временем, все становится более беспорядочным. Так что, если вы аккуратно сложите бумаги на своем столе и уйдете, вы не удивитесь, что они превратятся в беспорядок. Вы были бы очень удивлены, если бы беспорядок превратился в аккуратно сложенные бумаги. Это энтропия и стрела времени.
Итак, Больцман понял это и объяснил, как энтропия связана со стрелой времени. Но в его объяснении отсутствует одна часть: почему с самого начала энтропия была низкой? Почему бумаги были аккуратно сложены во вселенной? По сути, наша наблюдаемая вселенная начинается около 13,7 миллиардов лет назад в состоянии изысканного порядка, исключительно низкой энтропии. Это похоже на то, что вселенная — это заводная игрушка, которая в течение последних 13,7 миллиардов лет в некотором роде капризничала и в конечном итоге свелась к нулю. Но почему это вообще завелось? Почему это было в таком странном низкоэнтропийном необычном состоянии?
Это то, что я пытаюсь решить. Я пытаюсь понять космологию, почему у Большого взрыва были свойства, которые он имел. И интересно думать, что напрямую связано с нашими кухнями и как мы можем делать яйца, как мы можем помнить одно направление времени, почему вызывает предшествующие последствия, почему мы рождаемся молодыми и становимся старше. Это все из-за увеличения энтропии. Это все из-за условий Большого взрыва.
Wired.com: так начинается Большой взрыв. Но вы теоретизируете, что есть что-то до Большого взрыва. Что-то, что делает это возможным. Что это?
Кэрролл: Если вы найдете яйцо в своем холодильнике, вы не удивитесь. Вы не говорите: «Вау, это конфигурация с низкой энтропией. Это необычно», потому что вы знаете, что яйцо не одиноко во вселенной. Он появился из курицы, которая является частью фермы, которая является частью биосферы и т. Д., И т. Д. Но со вселенной у нас нет такой привлекательности. Нельзя сказать, что вселенная является частью чего-то другого. Но это именно то, что я говорю. Я согласен с мыслью в современной космологии, которая гласит, что наблюдаемая вселенная — это еще не все. Это часть большого мультивселенного. Большой взрыв не был началом.
И если это правда, это меняет вопрос, который вы пытаетесь задать. Это не «Почему Вселенная началась с низкой энтропии?» Это «Почему часть Вселенной прошла фазу с низкой энтропией?» И это может быть проще ответить.
Wired.com: В этой теории мультивселенной у вас есть статическая вселенная посередине. Отсюда всплывают маленькие вселенные и движутся в разных направлениях или стрелах времени. Значит ли это, что у вселенной в центре нет времени?
Кэрролл: Так это различие, которое стоит провести. В истории вселенной есть разные моменты, и время говорит вам, о каком моменте вы говорите. И еще есть стрела времени, которая дает нам ощущение прогресса, ощущение течения или движения во времени. Так что у статической вселенной в середине есть время как координата, но нет стрелки времени. Там нет будущего против прошлого, все равны друг другу.
Wired.com: То есть это время, которое мы не понимаем и не можем воспринимать?
Кэрролл: Мы можем измерить это, но ты этого не почувствуешь. Вы бы не испытали это. Потому что такие объекты, как мы, не будут существовать в этой среде. Потому что мы зависим от стрелы времени только для нашего существования.
Wired.com: Итак, сколько времени в этой вселенной?
Кэрролл: Даже в пустом пространстве время и пространство все еще существуют. У физиков нет проблем с ответом на вопрос: «Если дерево падает в лесу, и его там никто не слышит, издает ли оно звук?» Они говорят: «Да! Конечно, издает! » Точно так же, если время течет без энтропии, и нет никого, кто бы мог его испытать, есть ли еще время? Да. Время еще есть. Это все еще часть фундаментальных законов природы даже в этой части вселенной. Просто у событий, которые происходят в этой пустой вселенной, нет причинности, нет памяти, нет прогресса, нет старения, метаболизма или чего-то в этом роде. Это просто случайные колебания.
Wired.com: Итак, если эта вселенная посередине просто сидит и там ничего не происходит, то как именно эти вселенные со стрелами времени отрываются от нее? Потому что это похоже на измеримое событие.
Кэрролл: Верно. Это отличный вопрос. И ответ, там почти ничего не происходит. Итак, весь смысл этой идеи, которую я пытаюсь развить, заключается в том, что ответ на вопрос: «Почему мы видим, как меняется вселенная вокруг нас?» в том, что вселенная не может быть раз и навсегда статичной. Нет такого состояния, в котором могла бы быть вселенная, которая бы оставалась на месте во веки веков. Если бы они были, мы должны поселиться в этом состоянии и сидеть там вечно.
Это как мяч, катящийся вниз по склону, но внизу холма нет. Мяч всегда будет катиться как в будущем, так и в прошлом. Итак, эта центральная часть локально статична — этот маленький регион там, где, кажется, ничего не происходит. Но, согласно квантовой механике, вещи могут происходить иногда. Вещи могут колебаться в существовании. Есть вероятность изменения.
Итак, я думаю о том, что вселенная похожа на атомное ядро. Это не совсем стабильно. У него период полураспада. И как и атомное ядро оно будет разлагаться. Если вы посмотрите на это, оно выглядит абсолютно стабильным, ничего не происходит . ничего не происходит . а затем, бум! Внезапно из него выходит альфа-частица, но альфа-частица — это другая вселенная.
Wired.com: Итак, внутри этих новых вселенных, которые движутся вперед со стрелой времени, есть места, где законы физики различны — аномалии в пространстве-времени. Стрела времени все еще существует там?
Кэрролл: Может. Странная вещь в стрелке времени заключается в том, что ее нельзя найти в основных законах физики. Это не там. Так что это особенность вселенной, которую мы видим, но не особенность законов отдельных частиц. Таким образом, стрела времени построена поверх всех применимых местных законов физики.
Wired.com: Итак, если стрелка времени основана на нашем сознании и нашей способности воспринимать его, то люди, подобные вам, которые понимают ее более полно, воспринимают время иначе, чем остальные из нас?
Кэрролл: Не совсем. Это работает так, что сначала приходит восприятие, а потом понимание. Таким образом, понимание не меняет восприятие, оно просто помогает вам поместить это восприятие в более широкий контекст. Это известная цитата из моей книги Святого Августина, где он говорит что-то вроде: «Я знаю, сколько времени, пока вы не попросите у меня определения по этому поводу, и тогда я не смогу дать его вам». Поэтому я думаю, что мы все воспринимаем течение времени очень схожим образом. Но тогда попытка понять это не меняет нашего восприятия.
Wired.com: Так что же происходит со стрелой в таких местах, как черная дыра или на высоких скоростях, где наше восприятие этого меняется?
Кэрролл: Это восходит к теории относительности и Эйнштейну. Для тех, кто движется в пространстве-времени, они и часы, которые они приносят с собой, включая их биологические часы, такие как их сердце и их ментальное восприятие, — никто никогда не чувствует, что время течет быстрее или медленнее. Или, по крайней мере, если у вас есть точные часы с вами, ваши часы всегда тикают одну секунду в секунду. Это правда, если вы находитесь внутри черной дыры, здесь, на Земле, посреди ниоткуда, это не имеет значения. Но то, что говорит нам Эйнштейн, — это то, что путь, которым вы идете в пространстве и времени, может сильно повлиять на время, которое вы чувствуете, когда вы чувствуете, что оно проходит.
Стрелка времени — это направление, но не скорость. Важно то, что есть последовательное направление. Это повсюду в пространстве и времени, это прошлое и это будущее.
Wired.com: То есть вы сказали бы Майклу Дж. Фоксу, что он не может вернуться в прошлое и спасти свою семью?
Кэрролл: Самый простой выход из загадки путешествия во времени — сказать, что это невозможно. Это очень вероятно правильный ответ. Тем не менее, мы не знаем наверняка. Мы не совсем доказали, что это невозможно сделать.
Wired.com: По крайней мере, вы не можете вернуться назад.
Кэрролл: Да. Вы можете легко идти в будущее, это не проблема.
Wired.com: Мы идем туда прямо сейчас!
Кэрролл: Вчера я пошел в будущее и вот я здесь!
Одна из вещей, на которые я обращаю внимание в книге, состоит в том, что если мы представляем, что гипотетически возможно уйти в прошлое, то все парадоксы, которые имеют тенденцию возникать, в конечном счете, связаны с тем фактом, что вы не можете определить последовательную стрелку. времени, если вы можете уйти в прошлое. Потому что — то что вы считаете своим будущим, находится в прошлом вселенной. Так что это не может быть один и тот же везде. И это не несовместимо с законами физики, но очень несовместимо с нашим повседневным опытом, когда мы можем делать выбор, который влияет на будущее, но мы не можем делать выбор, который влияет на прошлое.
Wired.com: Итак, одна часть теории мультивселенной заключается в том, что в конечном итоге наша собственная вселенная станет пустой и статичной. Означает ли это, что из нас в конечном итоге выскочит еще одна вселенная?
Кэрролл: стрела времени не движется вперед вечно. В истории вселенной есть этап, когда вы переходите от низкой энтропии к высокой энтропии. Но затем, как только вы достигнете максимальной энтропии, которой можете достичь, стрелки времени больше не будет. Это как эта комната. Если вы возьмете весь воздух в этой комнате и поместите его в угол, это низкая энтропия. И затем вы отпускаете это, и оно в конечном итоге заполняет комнату, а затем останавливается. А потом воздух ничего не делает. В то время, когда оно меняется, появляется стрелка времени, но как только вы достигнете равновесия, тогда стрелка перестанет существовать. И тогда, теоретически, появляются новые вселенные.
Wired.com: Таким образом, за нами бесконечное количество вселенных и бесконечное количество вселенных, идущих впереди нас. Означает ли это, что мы можем идти вперед, чтобы посетить те вселенные, которые нас ожидают?
Кэрролл: Я подозреваю, что нет, но я не знаю. На самом деле у меня есть аспирант в Калифорнийском технологическом институте, который очень заинтересован в возможности столкновения вселенных друг с другом. Теперь мы называем их вселенными. Но на самом деле, если честно, это регионы космоса с разными местными условиями. Не то чтобы они метафизически отличались друг от друга. Они просто далеко. Вполне возможно, что вы можете представить, как вселенные сталкиваются друг с другом и оставляют следы, наблюдаемые эффекты. Также возможно, что этого не произойдет. Что если их там не будет. Если это правда, единственный способ, которым эта картина имеет смысл, — это если вы думаете о мультивселенной не как о теории, а как о предсказании теории.
Если вы думаете, что понимаете правила гравитации и квантовой механики действительно, очень хорошо, вы можете сказать: «Согласно правилам, вселенные возникают. Даже если я не могу их наблюдать, это предсказание моей теории, и я проверил эту теорию, используя другие методы ». Мы даже не там еще. Мы не знаем, как получить хорошую теорию, и мы не знаем, как это проверить. Но проект, который мы представляем, представляет собой хорошую теорию квантовой гравитации, проверяет ее здесь, в нашей вселенной, а затем серьезно относится к предсказаниям для вещей, которых мы не наблюдаем в других местах.
Источник