Загадка часу
Проблема часу завжди була проблемою. По-перше, навіть видатним розумам було важко зрозуміти, що таке час насправді. Сьогодні, коли нам здається, що ми певною мірою це розуміємо, багато хто вважає, що без неї, принаймні в традиційному розумінні, буде комфортніше.
«» Написав Ісаак Ньютон. Він вважав, що час можна по-справжньому зрозуміти лише математично. Для нього одновимірний абсолютний час та тривимірна геометрія Всесвіту були самостійними та окремими аспектами об'єктивної реальності, і в кожний момент абсолютного часу всі події у Всесвіті відбувалися одночасно.
За допомогою спеціальної теорії відносності Ейнштейн позбавив поняття одночасного часу. Згідно з його ідеєю, одночасність не є абсолютним ставленням між подіями: те, що одночасно в одній системі відліку, не обов'язково буде одночасно в іншій.
Прикладом розуміння часу Ейнштейном є мюон із космічних променів. Це нестабільна субатомна частка із середнім часом життя 2,2 мікросекунди. Він формується у верхніх шарах атмосфери, і хоча ми очікуємо, що він пролетить лише 660 метрів (при швидкості світла 300 000 км/с) до розпаду, ефекти уповільнення часу дозволяють космічним мюонам пролетіти понад 100 кілометрів до Землі. і далі. . У системі відліку із Землею мюони живуть довше через їх високу швидкість.
У 1907 році колишній учитель Ейнштейна Герман Мінковський представив простір і час. Простір-час веде себе як сцена, в якій частинки рухаються у Всесвіті відносно один одного. Однак ця версія простору-часу була неповною (Дивіться також: ). Вона не включала гравітацію, поки Ейнштейн не представив загальної теорії відносності в 1916 році. Тканина простору-часу безперервна, гладка, викривлена та деформована присутністю матерії та енергії (2). Гравітація - це викривлення Всесвіту, викликане масивними тілами та іншими формами енергії, яке визначає шлях, яким рухаються об'єкти. Ця кривизна є динамічною, що рухається у міру руху об'єктів. Як каже фізик Джон Уілер, "простір-час захоплює масу, вказуючи їй, як рухатися, а маса захоплює простір-час, вказуючи йому, як викривлятися".
2. Простір-час Ейнштейна
Час та квантовий світ
Загальна теорія відносності вважає протягом часу безперервним і відносним, а протягом вважає універсальним і абсолютним у вибраному зрізі. У 60-х роках успішна спроба об'єднати раніше несумісні ідеї, квантову механіку та загальну теорію відносності призвела до того, що відомо як рівняння Вілера-Де-Вітта, крок до теорії квантова гравітація. Це рівняння вирішило одну проблему, але створило іншу. Час не відіграє жодної ролі у цьому рівнянні. Це призвело до великої суперечки серед фізиків, які вони називають проблемою часу.
Карло Ровеллі (3), сучасний італійський фізик-теоретик має певну думку з цього приводу. «, - написав він у книзі «Таємниця часу».
3. Карло Ровеллі та його книга
Ті, хто згоден з копенгагенською інтерпретацією квантової механіки, вважають, що квантові процеси підпорядковуються рівнянню Шредінгера, яке симетричне у часі і виникає з хвильового колапсу функції. У квантово-механічній версії ентропії при зміні ентропії тече не тепло, а інформація. Деякі квантові фізики стверджують, що знайшли першоджерело стріли часу. Вони кажуть, що енергія розсіюється, а об'єкти вирівнюються, тому що елементарні частки зв'язуються при взаємодії у формі «квантової заплутаності». Ейнштейн разом зі своїми колегами Подольськи та Розеном вважав таку поведінку неможливою, оскільки вона суперечить локальному реалістичному погляду на причинно-наслідковий зв'язок. Як можуть частинки, розташовані далеко один від одного, відразу взаємодіяти один з одним, питали вони.
У 1964 році він розробив експериментальний тест, який спростував твердження Ейнштейна про так зване приховані змінні. Отже, поширена думка, що інформація справді поширюється між заплутаними частинками, потенційно швидше, ніж може рухатися світло. Наскільки нам відомо, час не існує для заплутані частки (4).
Група фізиків з Єврейського університету під керівництвом Елі Мегідіш в Єрусалимі повідомила в 2013 році, що їм вдалося заплутати фотони, які не співіснували в часі. По-перше, на першому етапі вони створили заплутану пару фотонів, 1-2. Незабаром після цього вони виміряли поляризацію фотона 1 (властивість, що описує напрям коливання світла) - тим самим "вбивши" його (етап II). Фотон 2 був відправлений у подорож, а утворилася нова заплутана пара 3-4 (крок III). Потім фотон 3 вимірювався разом з фотоном 2, що подорожує, таким чином, щоб коефіцієнт заплутаності «мінявся» зі старих пар (1-2 і 3-4) на новий комбінований 2-3 (крок IV). Через деякий час (етап V) вимірюється полярність єдиного фотона 4, що вижив, і результати порівнюються з поляризацією давно мертвого фотона 1 (назад на етапі II). Результат? Дані виявили наявність квантових кореляцій між фотонами 1 та 4, «тимчасово нелокальними». Це означає, що заплутаність може виникнути у двох квантових системах, які ніколи не співіснували у часі.
Мегідіш та його колеги не можуть не розмірковувати про можливі інтерпретації їх результатів. Можливо, вимірювання поляризації фотона 1 на кроці II якимось чином спрямовує майбутню поляризацію 4, або вимір поляризації фотона 4 на кроці V якимось чином переписує попередній стан поляризації фотона 1. Як у прямому, так і у зворотному напрямку квантові кореляції поширюються на причинна порожнеча між смертю одного фотона та народженням іншого.
Що це може означати у макромасштабі? Вчені, обговорюючи можливі наслідки, свідчать про те, що наші спостереження за зоряним світлом якимось чином продиктували поляризацію фотонів 9 мільярдів років тому.
Пара американських і канадських фізиків, Метью С. Лейфер з Університету Чепмена в Каліфорнії та Метью Ф. Пьюзі з Периметрового інституту теоретичної фізики в Онтаріо, кілька років тому помітили, що якщо ми не дотримуватимемося того факту, що Ейнштейн. Вимірювання, проведені на частинці, можуть позначитися у минулому та майбутньому, що у цій ситуації стає неактуальним. Переформулювавши деякі базові припущення, вчені розробили модель, засновану на теоремі Белла, в якій простір перетворюється на час. Їхні розрахунки показують, чому, припускаючи, що час завжди попереду, ми спотикаємося про протиріччя.
Згідно з Карлом Ровеллі, наше людське сприйняття часу нерозривно пов'язане з тим, як поводиться теплова енергія. Чому ми знаємо лише минуле, а не майбутнє? Ключ, як припускає вчений, односпрямований потік тепла від тепліших об'єктів до холодніших. Кубик льоду, кинутий у гарячу чашку кави, охолоджує каву. Але процес необоротний. Людина, як якась «термодинамічна машина», слідує цій стрілі часу і не в змозі зрозуміти інший напрямок. «Але якщо я спостерігаю мікроскопічний стан, — пише Ровеллі, — різниця між минулим та майбутнім зникає… в елементарній граматиці речей немає різниці між причиною та наслідком».
Час, що вимірюється у квантових частках
Чи, можливо, час можна квантувати? Нова теорія, що недавно з'явилася, припускає, що найменший мислимий інтервал часу не може перевищувати одну мільйонну мільярдної мільярдної частки секунди. Теорія слідує концепції, яка, принаймні, є основною властивістю годинника. На думку теоретиків, наслідки цієї міркування можуть допомогти у створенні «теорії всього».
Концепція квантового часу не є новою. Модель квантової гравітації пропонує, щоб час був квантований і мав певну швидкість цокання. Цей цикл, що цокає, є універсальною мінімальною одиницею, і жоден вимір часу не може бути менше цього. Це було б так, ніби в основі Всесвіту існувало поле, що визначає мінімальну швидкість руху всього в ньому, що надає масу іншим частинкам. У випадку з цим універсальним годинником «замість того, щоб давати масу, вони даватимуть час», пояснює один фізик, який пропонує квантувати час, Мартін Бойовальд.
Змоделювавши такий універсальний годинник, він та його колеги з Пенсільванського державного коледжу США показали, що це буде мати значення для штучних атомних годинників, які використовують атомні коливання для отримання найбільш точних відомих результатів. вимірювання часу. Відповідно до цієї моделі, хід атомного годинника (5) іноді не синхронізувався з ходом універсального годинника. Це обмежило б точність вимірювання часу одним атомним годинником, а це означає, що дві різні атомні години можуть зрештою не збігатися за тривалістю минулого періоду. Враховуючи, що наш найкращий атомний годинник узгоджується один з одним і може вимірювати тики до 10-19 секунд, або однієї десятої мільярдної мільярдної частки секунди, основна одиниця часу не може бути більше 10-33 секунд. Такими є висновки статті з цієї теорії, що з'явилася в червні 2020 року в журналі Physical Review Letters.
5. Атомний годинник на основі лютеції в Національному університеті Сінгапуру.
Перевірка того, чи існує така базова одиниця часу, виходить за рамки наших нинішніх технологічних можливостей, але все ж таки здається доступнішою, ніж вимірювання планківського часу, який становить 5,4 × 10–44 секунди.
Ефект метелика не працює!
Вилучення часу з квантового світу або його квантування — це може мати цікаві наслідки, але будемо чесними, масова уява рухає чимось іншим, а саме подорожами в часі.
Близько року тому професор фізики Університету Коннектикуту Рональд Маллетт повідомив CNN, що написав наукове рівняння, яке можна використовувати як основу для машина реального часу. Він навіть збудував пристрій, щоб проілюструвати ключовий елемент теорії. Він вважає, що теоретично можливо перетворюючи час на петлющо дозволило б подорожувати у часі у минуле. Він навіть побудував прототип, що показує, як лазери можуть допомогти досягти цієї мети. Слід зазначити, що колеги Маллетта не впевнені, що його машина часу колись матеріалізується. Навіть Маллетт визнає, що його ідея наразі є повністю теоретичною.
Наприкінці 2019 року New Scientist повідомив, що фізики Барак Шошані та Джейкоб Хаузер з Інституту периметра в Канаді описали рішення, в якому людина теоретично може подорожувати з одного Стрічка новин до другого, проходячи через отвір у простір-час або тунель, як вони кажуть, "математично можливий". Ця модель передбачає наявність різних паралельних всесвітів, у яких ми можемо переміщатися, і має серйозний недолік - подорожі в часі не впливають на тимчасову власну шкалу мандрівників. Таким чином, ви можете впливати на інші континууми, але той, з якого ми розпочали подорож, залишається незмінним.
Оскільки ми знаходимося в просторово-часових континуумах, то за допомогою квантовий комп'ютер Щоб змоделювати подорож у часі, вчені нещодавно довели, що у квантовій сфері немає «ефекту метелика», який можна побачити у багатьох науково-фантастичних фільмах та книгах. В експериментах на квантовому рівні, пошкоджені, що здаються майже незмінними, ніби реальність зцілює себе. Робота на цю тему з'явилася цього літа в Psysical Review Letters. «На квантовому комп'ютері немає проблем ні з симуляцією протилежної еволюції в часі, ні з симуляцією процесу усунення процесу назад у минуле», — пояснив Микола Синіцин, фізик-теоретик із Лос-Аламоської національної лабораторії та співавтор дослідження. працюй. «Ми справді можемо побачити, що відбувається зі складним квантовим світом, якщо повернемося назад у часі, додамо трохи пошкоджень та повернемося назад. Ми виявляємо, що наш первісний світ уцілів, а отже, у квантовій механіці немає ефекту метелика».
Це великий удар для нас, але можливо і хороша новина для нас. Просторово-часовий континуум зберігає цілісність, не дозволяючи невеликим змінам його зруйнувати. Чому? Це цікаве питання, але трохи інша тема, ніж час як такий.
