Книга "Млечный Путь, Xxi век", No 1 (38), 2022 - Леонид Александрович Ашкинази

так называемая тепловая смерть Вселенной.

Как бы то ни было, мы можем прийти к утверждению, что время - это количественная сущность, о которой мы можем знать и измерять ее эффекты или свойства только с помощью часов. Время в соответствии с этим операционным определением называется временем часов.

Это ничего не говорит о том, что такое время на самом деле, и поэтому природа времени остается от нас скрытой.

Некоторые физики указывают на определенную характеристику времени как на неопровержимое доказательство его существования. То есть именно направление, в котором течет время, так называемая стрела времени, утверждает, что время реально, поскольку эффективно отличает прошлое от будущего.

На самом деле было идентифицировано множество различных стрел времени. Одна из них следует из Второго закона термодинамики, согласно которому закрытая система всегда развивается из более упорядоченного состояния (более низкая энтропия) в менее упорядоченное (более высокая энтропия) - обычно энтропия относится к числу способов, которыми могут быть организованы микроскопические составляющие макроскопической системы, причем каждый раз состояние макроскопической системы остается неизменным. Именно эта фиксированная направленность беспорядка внутри замкнутой системы порождает термодинамическую стрелу времени.

Например, смешивание двух жидкостей не приводит к самопроизвольному разделению. Газ всегда рассеивается, пока не будет равномерно распределен по объему сосуда, в котором он содержится. Пепел сгоревшей книги не превращается обратно в оригинальную книгу.

Вторая стрела времени - космологическая, возникающая из-за того, что есть направление, в котором развивается Вселенная: она расширяется. Согласно стандартной космологической модели, Вселенная началась с бесконечно малой точки, называемой сингулярностью, и впоследствии прошла через период космической инфляции, во время которой расширялась с невообразимо высокой скоростью всего за долю секунды. С тех пор Вселенная расширяется, и современные данные убедительно свидетельствуют, что расширение ускоряется.

В соответствии со вторым законом термодинамики космологическая стрела времени, по-видимому, указывает, кроме того, на то, что Вселенная изначально находилась в состоянии низкой энтропии.

Еще две стрелы времени можно найти в волнах и излучении. Звуковые и водяные волны всегда исходят из источника и сферически удаляются от него; это называется лучистой стрелой времени.

Что касается электромагнитных волн (излучения), существует эффект замедления, поскольку они распространяются с фиксированной скоростью, то есть со скоростью света, так что мир, который мы видим, всегда отражает взгляд на прошлое. - это называется электромагнитной стрелой времени.

Затем существует стрела времени сингулярности, согласно которой одна первоначальная сингулярность, которая согласно общей теории относительности соответствует рождению нашей Вселенной, предшествует многим так называемым конечным сингулярностям в центре черных дыр. Из-за детерминистской характеристики общей теории относительности никакие новые исходные сингулярности не могут возникнуть - если они и возникают, то должны быть скрыты за горизонтом событий черных дыр, согласно принципу космической цензуры Хокинга.

Последняя стрела времени - квантовая. Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, акт выполнения измерения квантовой системы приводит к коллапсу волновой функции - эта функция представляет собой математическое выражение, содержащее информацию о состоянии конкретной квантовой системы. В результате система необратимо развивается от суперпозиции квантовых состояний к конечному, единственному измеряемому состоянию. При этом никакая информация о предшествовавших квантовых состояниях не может быть извлечена из конечного коллапсированного состояния.

Тем не менее, стрела времени в области физики остается спорной. Одна из главных проблем заключается в том, что фундаментальные законы физики не отражают асимметрию времени. Законы физики обратимы во времени и не различают прошлое, настоящее и будущее.

В качестве примера, все события в пространстве-времени в теории относительности имеют равный статус - это известно как идея Блочной Вселенной. Это означает, что событие в настоящий момент не менее особенно, чем какое-то событие, которое произошло двадцать лет назад или несколько лет назад, или событие, которое произойдет в следующем столетии.

Другими словами, если нет физического различия между прошлым, настоящим и будущим, то Вселенную, представленную пространством-временем, можно описать как статичную, поскольку в ней отсутствует какое-либо направление времени.

Так как же тогда объяснить существование стрелы времени? Имейте в виду, однако, что хотя слабые взаимодействия, которые являются одной из четырех фундаментальных сил в природе и ответственны за процессы распада субатомных частиц, действительно нарушают симметрию обращения времени, они не имеют отношения к макрофизике нашей повседневной жизни и, следовательно, не могут служить объяснительной физической основой для нашей воспринимаемой стрелы времени.

Отсутствие временной асимметрии в естественных законах физики, несмотря на то, что мы воспринимаем течение времени в макроскопическом мире от прошлого к будущему, еще больше запутывает понятие времени, делая составление четкого определения еще более запутанной задачей. Это приводит многих физиков к выводу, что течение времени, а не само время, является иллюзией.

Тем не менее, не все физики согласны с этой точкой зрения, в том числе Джордж Эллис и Джоан Ваккаро, которые включают стрелу времени в Блочную Вселенную, принимая во внимание необратимое во времени макрофизическое поведение и эмерджентные сложные системы, а также полагаясь на нарушения временной симметрии слабыми взаимодействиями. Модель, разработанную Эллисом, называют Эволюционирующей блочной Вселенной. Она представляет собой Вселенную, которая больше не статична, но способна расширяться в будущем.

Рис. В Блочной Вселенной (слева) все статично, тогда как в Эволюционирующей Блочной Вселенной (справа) будущая граница продолжает двигаться вверх во временном измерении, эффективно заставляя Блочную Вселенную увеличиваться в размерах.

Другим решением этой загадки является существование мультивселенной. Согласно этой гипотезе, наша Вселенная вместе с бесчисленным множеством других возникла из огромного пустого пространства. Таким образом, понятие симметрии времени и стрела времени больше не являются взаимоисключающими, поскольку время способно двигаться вперед в одних вселенных - таких, как наша - и назад в других, а мультивселенная в целом остается симметричной во времени, учитывая, что все стрелы времени статистически уравновешиваются.

Насколько глубоко время проходит сквозь основы реальности? Кажется, что мы только собираем больше вопросов о концепции времени вместо того, чтобы закрепить определение. Здесь можно задать следующие вопросы: действительно ли стрела времени предполагает существование времени или только подразумевает определенный порядок, в котором происходят определенные события и который может или не может быть подкреплен причинно-следственной связью?

Если течение времени не связано со временем, позволяет ли это нам утверждать, что время - иллюзия?

Кроме того, насколько мы можем быть уверены, что стрела времени, которую мы якобы воспринимаем, является частью фундаментальной структуры реальности?

Эти вопросы о природе времени лежат в основе другого спора в физике, в котором обычно предполагается, что само время реально, но физики расходятся во мнениях относительно того, является ли время фундаментальным или эмерджентным.

На микроскопическом (фундаментальном) уровне атомы и молекулы не являются ни твердыми (или мягкими), ни горячими