Исследование: почему время движется вперед, а не назад

27 ноября 2014
Юрий Стрельченко,

Стрела времени — одна из самых глубоких тайн физики. Тим Кословски (Tim Koslowski), физик-теоретик из Университета Нью-Брансуика, изучающий гравитацию и время, пришел к умозаключениям, которые можно смело называть прорывными в этом сложнейшем вопросе. Обозреватели научно-популярного издания Popular Mechanics побеседовали с ученым, опубликовавшим выкладки работы в журнале Physical Review Letters при Американском физическом обществе.

Что такое стрела времени и почему она озадачивает физиков на протяжении почти целого столетия?

Суть стрелы времени можно объяснить достаточно просто, проложив параллель с тем непреложным фактом, что мы помним прошлое, но не будущее. Под рукой есть книги по истории и прочие виды записей о том, что происходило до нас, а вот никакой информации о другой стороне времени нет.
Физические законы симметричны, то есть они работают независимо от того, в каком направлении происходит движение во времени. Представьте, что вы смотрите видеоролик о том, как яйцо падает со стола и разбивается о пол. Видеозапись легко прокрутить в обратном направлении, увидев, как нерожденный цыпленок собирается из каши в целое яйцо, и далее, повинуясь преобразованной энергии, вспрыгивает на стол — всё это отвечает законам физики.
Возникает вопрос: почему, куда ни взглянешь, всегда наблюдается первый сценарий и никогда — второй?
В физику выражение "стрелы времени" ввел английский физик Артур Эддингтон, предположивший, что направление течения времени связано с расширением Вселенной: когда ее расширение сменится сжатием, в другую сторону может повернуться и стрела времени.
Три стрелы времени напрямую связаны с проблемой необратимости, или парадоксом времени, — одним из глубочайших противоречий современной науки: почему многочисленные явления реального мира нельзя повернуть вспять, тогда как фундаментальные законы, их описывающие, вполне себе обратимы?
Речь в данном случае идет о термодинамической стреле, указывающей направление времени, в котором возрастает энтропия, или беспорядок. Одновременно существуют космологическая стрела времени, в направлении которой происходит расширение Вселенной, и психологическая стрела, соответствующая нашему ощущению непреклонности хода времени.
По материалам "Толкового словаря по темпорологии" А. Е. Клименковой.

Есть ли достоверные объяснения этому?

Существует множество различных толкований, и большинство из них строятся на идее, что стрела времени в основном сформирована увеличением энтропии. Последняя, упрощенно говоря, является мерой того, насколько перемешана и беспорядочна система. Энтропия при этом не симметрична. Это называется вторым законом термодинамики: всем хорошо известно, что со временем любая, даже самая большая, система всегда будет наращивать собственную энтропию, теряя состояние порядка.
Так, если чисто умозрительно взять солонку, наполовину заполнить ее солью, а в оставшуюся половину насыпать перца, вначале наш кухонный сосуд выглядел бы аккуратным, хранящим два отдельных слоя. Но каждый раз при встряхивании или лишь перемещении солонки находящиеся в ней соль и перец всё сильнее перемешиваются и разупорядочиваются. Происходит энтропия. Ну а поскольку она является односторонним процессом, ряд физиков выдвинули гипотезу, что энтропия так и или иначе диктует направление, куда указывает стрела времени.
Вместе с тем у подобных объяснений есть две серьезные проблемы. Прежде всего, у энтропии существует верхний предел: соль и перец могут стать настолько разупорядоченными, что никакие встряхивания более не увеличат этот показатель. Во-вторых, чтобы заметить рост энтропии (и таким образом создать стрелу времени), нужна особая исходная конфигурация, в которой соль и перец организованы изначально. Если посмотреть на нашу собственную Вселенную, она самым непосредственным образом свидетельствует, что высокоорганизованное исходное состояние — очень и очень редкая штука.

Вы придумали модель, демонстрирующую возможность фактического обхода этих проблем посредством характеристики, называемой сложностью. Можете объяснить?

Эта модель приблизительно отражает крупномасштабную, заполненную частицами Вселенную, в которой главная роль отводится гравитации. Следует помнить об упрощенном характере модели: в нее не включены никакие иные силы, и нет ничего типа гравитационных волн и черной материи.

Набор частиц, взаимодействующих через силу тяжести, неизбежно группируется вместе (иллюстрация посередине). В этот момент самой низкой сложности системы происходит Большой взрыв, после которого две стрелы времени расходятся вперед и назад, отражая варианты будущего.

Причина, по которой нет нужды ни в каких особых начальных условиях для формирования стрелы времени, сложна, но проистекает из того факта, что гравитация, или сила тяжести, в отличие от всех других сил, притягивает повсюду. В то время когда сильные и слабые силы и электромагнетизм могут лишь оттолкнуть или притянуть различные типы частиц, гравитация только притягивает. Это важно.
Сочетание отталкивания и притяжения неизбежно создаст своего рода хаотическое равновесие, тогда как постоянная сила притяжения будет непрерывно выращивать что-то вроде структуры, из которой получается стрела времени.
Всё это с точки зрения нашей модели означает, что любое случайное и небольшое количество частиц, подчиняясь гравитации, начинает объединяться в скопления, или кластеры, становящиеся всё более плотными, — модель сгущается в крошечные подсистемы. Если это поможет пониманию, их уместно воспринимать как шаровидные звездные скопления.
Получившиеся кластеры, успевшие создать собственные параметры вращения, энергии и импульса, фактически собрали информацию об остальной части модели. В них закодированы данные, через различные свойства описывающие то, как выглядела структура модели в прошлом, — своего рода книга по истории. Другими словами, эти данные указывают на одно направление во времени.

Погодите, но если мы учитываем только гравитацию, почему модель попросту не схлопнется, обвалившись сама на себя?

Действительно важный момент. Известно, что, когда мы смотрим на Вселенную в целом, она расширяется. Это расширение реализовано и в нашей модели: соотношение самого большого и самого маленького расстояний между частицами постоянно увеличивается.
В расширяющейся системе, в которой доминирует сила притяжения, незамедлительно рождается интересный эффект. Сложность Вселенной (под сложностью понимается точная физическая величина, описывающая, насколько сильно кластеризирована модель) растет без конца. Можно создать модель, где сложность системы беспредельно увеличивается, причем вне зависимости от того, какая исходная позиция выбрана.

А как насчет всех прочих физических явлений, не связанных с гравитацией? Почему мы всегда наблюдаем, что они изменяются лишь в одном направлении времени?

Если взять распадающийся атом, из него всегда получается более легкий атом, но никогда - тяжелый. Процесс следует по стреле времени, и, по-видимому, не имеет никакого отношения к силе тяжести, правильно? Не совсем. Ведь для запуска процесса распада атома что-то должно было перевести его в особое начальное состояние.

Неумолимость и необратимость времени уже не так очевидна, хотя повернуть его вспять пока никому не удалось.

Мы еще работаем над созданием модели вышеописанного атома, но зато уже готова модель, в которой ранняя Вселенная с доминирующей силой тяжести рождает весьма нетипичные исходные состояния. И поскольку Вселенная расширилась, а гравитация прекратила быть определяющей силой для маленьких подсистем вроде атома, последние, распадаясь, так или иначе вынуждают все другие стрелы времени идти в ногу.

Вы утверждаете, будто у ранней Вселенной было множество стрел времени с разными направлениями?

Да, такое возможно. Теория хилогенеза (hylogenesis, букв. "происхождение материи"), описывающая механизмы происхождения темной материи и антиматерии, полагает, что на некотором этапе в ранней Вселенной различные стрелы времени были разупорядочены. Но поскольку основной силой является гравитация, она в конечном итоге вынудила их всех показывать одинаковое направление. До того момента не было никакого пространства-времени, в котором мы сейчас находимся.

Читать полностью:  http://42.tut.by/425521