Стрелата на времето

Що е то стрела на времето

"Прекрасно знам що е то време, докато не мисля за това, но щом се замисля - вече не знам какво е това време."

Августин Блажени ( 357-430 )

Минковски въвежда времето като равноправна координата наред с трите пространствени координати в пространствено-времевия континиум. Да, но ако в пространството можем да се движим навсякъде, във всяка посока, то във времето се движим само в една посока - от миналото към бъдещето. Когато навлезем в съзнателна възраст, започваме да усещаме разликата между минало и бъдеще и разбираме, че събитията, които ни се случват са необратими - счупената чаша, колкото и да чакаме не се слепва отново. Тази невъзможност за връщане назад във времето се нарича  стрела на времето, концепция, разработена през 1927 г. от британския физик Артър Едингтън (Arthur Eddington).

Важна психологическа роля за осъзнаването на стрелата на времето играе фактът, че не можем да променим миналото и не можем с подробности да предскажем бъдещето. Между миналото и бъдещето има явна асиметрия - миналото е ясно и сигурно, а бъдещето се характеризира със значителна несигурност, а самият ни човешки живот е необратим процес.

Философите извеждат посоката на времето от причинността. Но работата е там, че самото определение на причинно-следствения порядък предполага съществущия времеви ред. Когато се казва "причината поражда следствието", се подразбира, че следствието се появява след причината. По този начин, всеки опит да се изведе времевия ред от причинно-следствения ред, води до неизбежно до логически кръг.

В реалния живот такива неща не се случват. И това макар и "очевидно", не може да се обясни толкова лесно. За да се разбере защо се случва така, трябва да се намерят конкретните физични процеси, които се случват в реалния свят, определящи еднопосочността на времето.

Няма такъв принцип във физиката

Защо времето се движи само в една посока? Може да е парадоксално, но основание в законите на физиката няма.

Това означава, че във всички закони на физиката, открити досега, не е намерена никаква разлика между миналото и настоящето.

В класическата механика времето е обратимо

В класическата Нютоновата механика, няма ограничения, които да възпрепятстват обръщането на времето. Замяната  t → - t не променя вида на уравненията за движение. С други думи, уравненията на механиката, както и техните решения са обратими във времето.

Какво означава това? Това означава, че наред с всяко възможно движение, може да съществува и обратното във времето движение, движение симетрично на движението напред във времето.

Ако скоростите на всички частици в една сложна система внезапно сменят посоките си с техните противоположни, то тогава системата ще се върне в първоначалната си позиция, минавайки в обратен ред през всички изминати преди това положения. Такива симетрични по време състояния се различават с противоположни посоки на скоростите и ускоренията.

Може да се изброят още много примери - излиза, че в рамките на чистата механика, физическо основание за еднопосочността на времето не може да се намери.

В класическата механика посоката на времето няма никакво естествено предпочитано направление.

На микро ниво

Всички процеси на елементарните частици, които се случват в резултат на силните и електромагнитните взаимодействия (слабите взаимодействия правят изключение) при обръщането на времето са симетрични.

Споменатото изключение бе установено в експеримент в BaBar (към лабораторията SLAC), при който се извършва първото директно измерване на нарушението на Т-симетрията при B-мезоните. Но едва ли β-разпада на к-мезоните има такова всеобхватно въздействие върху практически всички заобикалящи ни явления, ясно сочещи посоката на времето от минало към бъдеще, напук на теоретичната обратимост.

Вторият принцип на термодинамиката. Необратимите процеси

Триене

Откъде все пак идва тази необратимост, ако законите за движение са Т-инвариантни? Най-честото обяснение за еднопосочността на времето е едно просто оправдание - втория закон на термодинамиката, от който следва, че почти всички естествени процеси са придружени с увеличаване на ентропията или с други думи - във всяка затворена система хаосът винаги нараства с времето.

Ако побутнем някакъв тежък предмет на пода, той ще се придвижи малко и ще спре. И колкото и да чакаме, той няма сам да се върне на старото място. Ако залюлеем махало, то ще се люлее, ще се люлее и ще спре също в резултат на триенето и няма да започне да се люлее само.

Триенето е резултат от изключително сложното взаимодействие между обекта и повърхността, резултат е на вибрациите на атомите в контактната зона. Организираното движение на тялото се превръща в неорганизиран хаос на атомите на повърхностите, по които се движи тялото. Така че всички ефекти, свързани с триене, са необратими.

Смесване на флуиди

Топлообмен

Ако сложим чайник с вода със стайна температура върху незатоплена печка, водата няма да замръзне, а печката да се затопли. Просто нищо не се случва, но ако печката е гореща, а водата е ледена, нещо се случва, само че обратното: водата се стопля, а печката изстива (ако е изключена). По този начин необратимостта винаги намалява количеството на свободната енергия.

Ако се замислим, повечето примери, в които ярко се различава посоката на времето са свързани с топлообмен, триене и смесване на газове и течности. Но тези явления са свързани с явления, които се дължат на механичното движение на атоми и молекули, които пък са безразлични към посоката на времето, те не могат да определят посоката от минало към бъдеще, както видяхме от примера с брауновото движение по-горе.

Болцман: Времето може да се върне обратно, но това е малко вероятно

Но от къде идва тази необратимост, ако законите за движение са Т-инвариантни? Лудвиг Болцман предлага решение на този парадокс през 1877 г. като установява връзката на ентропията с вероятността на дадено състояние.

Как е разсъждавал Болцман: според механичните свойства на движението на молекулите, е възможно, както смесването на двете течности, така и обратния процес, смесената течност отново да се раздели. Топлината може да се върне обратно в печката, а водата да стане отново студена. Тези събития са възможни - след като има обратимост в движението на отделните атоми, то следва че трябва да има обратимост в поведението и на група атоми. Категорична забрана за тези събития няма. Но там е работата, че такива неща се случват много, много рядко.

Илюстрация: F5T25

Ако разтръскаме буркан (затворена система) с разноцветни топчета, те могат и да се подредят, но това е малко вероятно. Много по-вероятно е топчетата да са хаотично подредени. Ако хвърляме "спонтанно" тухли, макар, че левия вариант е по-желан, то той е малко вероятен, по-вероятно е да се получи безформена купчина от тухли.

Болцман казва : "... не може да се предположи, че два дифузиращи газа се смесват и разделят по няколко пъти в течение на кратко време. Времето, през което може да се надяваме да наблюдаваме (поне един) случай на разделяне е толкова голямо, че се изключва всякаква възможност да се наблюдава този процес. " С други думи: обратните явления се срещат толкова рядко, че в историята на вселената, не са се случили нито веднъж, т.е. може практически да се изключат.

По принцип са допустими и правите, и обратните явления. Те се различават само в честотата, с която се случват в действителност.

Болцман лош е изчислил тази честота или вероятност и доказал, че поведението на голяма група от частици, изпълняващи обратими, T-инвариантни движения, ще бъде на практика необратимо. Ето и знаменитата формула на Болцман за ентропията:

S = k. ln W, където

k = 1.3806505(24) × 10⁻²³ J K⁻¹ е константата на Болцман,

W е честотата, с която термодинамична система е в дадено състояние или броят възможни микросъстояние, в които може да бъде система с дадено макросъстояние.

И така, в началото на XIX в. термодинамиката заявява: "Ако светът е гигантска машина, тази машина ще спре, тъй като запасът от полезна енергия рано или късно ще се изчерпи". Световният часовник може да спре завинаги, а времето придобива ново значение.

Видове стрели на времето

• Термодинамична стрела

Илюстрация: bgchaos.com

Термодинамичната стрела се управлява от втория закон на термодинамиката, който казва, че ентропията на всяка система се увеличава с нарастването на времето, че  времето е асиметричен по отношение на нивото на подреденост в една изолирана система и че тази система винаги се движи от подредено състояние в хаотично състояние.

Тази стрела на времето е свързана с всички други стрели на времето и формира основата на другите стрели на времето.

• Космологична стрела

Илюстрация: bgchaos.com

Космологичната стрела винаги сочи в посока разширяването на Вселената. Тя може да бъде свързана с термодинамичната стрелка, в смисъл, че посоката й е от едно първоначално подредено състояние ( Големия взрив).

Термодинамична стрела на времето може да е следствие първоначалните космологични условия на Вселената.

• Психологическа стрела

Илюстрация: bgchaos.com

Психологическата стрела е тази, с която ние се чувстваме, че времето тече. Ние си спомняме миналото, но бъдещето се състои от събития, които не можем да си спомним.

Да се разбере как работи човешкия мозък е сложна задача и затова науката търси аналогии в работата на компютрите. За да се запамети някаква информация в паметта на компютъра, т.е за да мине в по-подредено състояние, той изразходва енергия. Всеки е забелязал топлината, която се отделя от кутията  на компютъра ви. Тази топлина увеличава ентропията повече от постигната подреденост (загуба на ентропия) в паметта. Така,  че психологическата стрелка е по същество същата като термодинамичната стрела.

Може би съществува някакво начално условие, което е определило посоките и на трите стрели да са еднакви.

Вселената е неравновесна система

Нека не забравяме, че вторият принцип на термодинамиката важи само за затворени неравновесни системи. Строго погледнато, нашата Вселена не е закрита система. В наблюдаемите области на космоса текат бурни процеси на създаване и унищожаване на нови звезди и галактики и общо взето, нашата Вселена изглежда далеч от равновесното положение.

Затова и И. Пригожин оспорва традиционната гледна точка на термодинамичната необратимост в съчинението си "Порядък от хаоса", написано съвместно с Изабела Стенгерс. Според тях, стрелата на времето се проявява само в комбинация със случайност. Само в случаите, когато системата се държи случайно, в описанието й се проявява разлика между минало и бъдеще, и следователно необратимост. В неравновесните системи, в които протичат процеси, описвани с нелинейни уравнения, притежаващи силна зависимост от началните условия и значителна неустойчивост, водят понякога до спонтанна самоорганизация. 

Дарвин и Болцман

Интересно е да се отбележи, че Болцман с ентусиазъм приел наскоро появилата се теория на Дарвин. По същество Дарвиновата подход бил близък до пътя, избран от Болцман.

	Прилика	Разлика
;	Случват се, благодарение на спонтанни, случайни флуктуации. Промените са необратими.	*ентропията се увеличава *развитието е от по-организирано състояние към хаос *към хомогенност и абсолютна симетрия
		*ентропията намалява *развитието е от по-неорганизирано състояние към по-организирано *към по-сложно структурирани обекти и загуба на симетрия

Възможно е, в този случай това да не е просто прилика. Според теорията на Дарвин, първо се случват спонтанни флуктуации (отклонения) на видовете, след което, благодарение на естествения отбор, започва необратима биологична еволюция - както при Болцман, случайността води до необратимост. Обаче резултатът от еволюцията на Дарвин е различен от този на Болцман: движението е от по-малко организирано състояние към по-организирано. Така световната машина, въпреки, че изразходва енергия може да забави своя ход и дори да спре.

Остават доста въпроси:

• защо трябва да съществува термодинамична стрела на времето изобщо?
• защо вселената е в състояние на крайна подреденост в началото на времето?
• защо посоката на времето, при която ентропията се увеличава е същата като тази, при която Вселената се разширява?
• Достатъчно ли е нарушението на Т-симетрията, открито при слабите взаимодействия на мезоните да определи посоката на времето?
• Възможни ли са светове с "обратно" време?
• Защо времето е като ос и се определя от едно число, а не както е пространството, да е "обемно"? Дали не е така всъщност, а ние просто да не го забелязваме?

Отговорът: квантовото заплитане

Физиците Попеску, Шорт и колегите им Ной Линден и Андреас Уинтър (Noah Linden, Sandu Popescu, Anthony J. Short, Andreas Winter) публикуват през 2008 и укрепват аргументацията през 2012 г. на сензационната си идея: квантовото вплитане може да обясни стрелата на времето.

Учените твърдят, че квантовото вплитане предизвиква топлинното равновесие и че този квантов процес е приложим в нашия физически свят при по-продължително време, пропорционално на размера на участващите физически системи.

Първият - Сет Лойд

Илюстрация: daviddarling.info

Идеята, че вплитането може да обясни стрелата на времето, първо е хрумнала на Сет Лойд (Seth Lloyd) преди тридесет години, когато е бил 23-годишен възпитаник на Факултета по философия в университета в Кеймбридж с Харвардска степен по физика. Лойд разбрал, че квантовата неопределе ност и това как тя се нараства със "заплитането" на частиците, може да замени човешката несигурност (или незнание) в старите класически доказателствата като истински източник на стрелата на времето.

С помощта на квантово-механичен подход, при който единиците на информация са основните градивни блокове, Лойд прекарал няколко години изучавайки еволюцията на частиците по отношение на размесването на единици (1) и нули (0). Той констатира, че тъй като частиците са все по-заплетени помежду си, информацията, която ги описва (1 - спин по часовниковата стрелка, и 0 - обратно на часовниковата стрелка, например), ще премине към описание на сплетените частици като цяло.

В този момент, частиците преминават в състояние на равновесие, спират да се променя тяхното състояние, подобно на чашата кафе, която се охлажда до стайна температура.

"'Какво всъщност се случва? Нещата стават все по-взаимосвързани. Стрелата на времето е стрелата, посоката на нарастващите корелации (съгласувани вероятностни взаимовръзки)".

Идеята, представена в неговата докторска дисертация  през 1988г. остава неразбрана и пренебрегната, но от тогава досега теорията на квантовата информация става една от най-активните области на физиката.

Отново на чаша кафе след 30 години

Една чаша горещо кафе изравнява температурата си с околния въздух, частиците на кафето (в бяло) и на въздушните частици (в кафяво) взаимодействат и се "вплитат" в смесени кафяво-бели състояния. След известно време, повечето от частиците в кафето се корелират с въздушните частици и кафето достига термично равновесие.

Илюстрация: Lidia del Rio

През 2009 г., доказателството на групата физици от Бристол, основано на метода на Лойд, предизвика голямо вълнение сред теоретиците по квантова информация. То показало, че обектите си взаимодействат със средата - както частиците кафе взаимодействат с въздуха, например. Попеску твърди, че това е :

локална загуба на информация, която води до това, че кафето достига състоянието на покой, дори ако квантово-механичното състояние на цялата стая продължава да се развива. Освен в редки случайни флуктуации, казва той, "неговото състояние вече не се променя с времето"

Учените доказват, че постигането на равновесие е универсално свойство на квантовите системи. Според тях, информацията се губи в процеса на квантово заплитане, което води до уравновесяване на чашата кафе и стаята. Стаята, в края на краищата се уравновесява с външната среда, а околната среда - още по-бавно - дрейфва към равновесие с останалата част от Вселената.

Създателите на термодинамиката от 19-ти век са считали този процес за постепенно разпиляване на енергия, което увеличава общата ентропия или хаос на Вселената. Днес, Попеску и колегите му гледат на стрелата на времето по друг начин. Според тях, информацията става все по-дифузна, но никога не изчезва напълно. Въпреки, че на локално ниво ентропията нараства, общата ентропия на Вселената остава постоянна и равна на нула.

Защо помним миналото? Защото сме "сплетени" с него.

Според учените, способността ни да помним миналото, а не бъдещето, е друга проява на стрелата на времето, което също може да се разглежда като увеличение на корелацията между взаимодействащи частици. Когато четете нещо, например, мозъкът ви става свързан с информацията чрез фотоните, които достигат окото. Само от този момент нататък ще бъдете в състояние да си спомните какво пише в съобщението. Според Лойд:

Илюстрация: dvice.com

"Настоящето може да бъде определено като процес на свързване (или установяване на корелация) със заобикалящата ни среда."

Идеята на бристолските учени е още на абстрактно ниво, тя не могат да обясни защо първоначалното състояние на Вселената е било далече от равновесието и как се държат конкретните наблюдаеми обекти. Но новата концепция и новия математически формализъм вече помага на изследователите да напреднат в разбирането на редица теоретични въпроси на термодинамиката, като границите на квантовите компютри, а дори крайната съдба на Вселената.

Източници:

Физика времени, Артур Чернин
Брайан Грин. Ткань космоса: пространство, время и структура реальности, Симметрия по отношению к обращению времени, 8 о снежинках и пространстве-времени 
Two Theorems about Time Reversal
The Arrow of Time
Стрелата на времето, Кратка история на времето от големия взрив до черните дупки Стивън Хокинг
Стрелата на времето и законите на Нютон - част I
Стрела времени, Physicz.ru :. Научный портал о физике
Характер физических законов, ЛЕКЦИЯ 4, СИММЕТРИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ, Pичард Фейнман
Характер физических законов, ЛЕКЦИЯ 5, РАЗЛИЧИЕ ПРОШЛОГО И БУДУЩЕГО, Pичард Фейнман
Фундаментальные проблемы физики высоких энергий и принцип симметрии, Дмитрий С. Блау
Многомерность времени, Елена Чернышова
VI . Природа времени 1. Обращение времени и асимметрия времени, Уитроу Дж.
Время, Руднев
Порядок из хаоса, Илья Пригожин, Изабелла Стенгерс
Time’s Arrow Traced to Quantum Source, Natalie Wolchover, Foundation Simons
Quantum equilibration in finite time, Anthony J Short and Terence C Farrelly
Quantum mechanical evolution towards thermal equilibrium, Noah Linden, Sandu Popescu, Anthony J. Short, and Andreas Winter
The foundations of statistical mechanics from entanglement: Individual states vs. averages, Sandu Popescu, Anthony J. Short, Andreas Winter
НОВАЯ ТЕОРИЯ УБЕДИТЕЛЬНО ОБЪЕДИНИЛА ХОД ВРЕМЕНИ И КВАНТОВУЮ ЗАПУТАННОСТЬ, ИЛЬЯ ХЕЛЬ

Още по темата

07/03/2015

Физика

Обща теория на относителността

04/03/2015

Физика

Светлината за първи път е заснета като вълна и частица едновременно

31/01/2014

Физика

Пространство-времето на Минковски

09/01/2015

Физика

Ефектът забавяне на времето и скъсяване на дължините