Кіріспе

Физикадағы біржақты уақыт ұғымы. Уақыт жебесі, сондай-ақ уақыт бағыты деп аталады, бұл уақыттың "бір бағыттылығы" немесе "асимметриясы" концепциясы. Оны 1927 жылы британдық астрофизигі Артур Эддингтон жасады және ол жалпы физиканың әлі шешілмеген мәселесі болып табылады. Эддингтонның пікірінше, бұл бағытты атомдардың, молекулалардың және денелердің құрылымын зерттеу арқылы анықтауға болады және оны әлемнің төрт өлшемді салыстырмалы картасына ("қағаздың тікбұрышты блогы") түсіруге болады. Уақыт жебесінің парадоксы алғаш рет 1800 жылдары газдар (және басқа заттар) үшін термодинамика/статистикалық физиканың микроскопиялық және макроскопиялық сипаттамалары арасындағы қарама-қайшылық ретінде танылды: микроскопиялық деңгейде физикалық процестер толығымен немесе көбінесе уақыт бойынша симметриялы деп есептеледі: егер уақыт бағыты өзгерсе, оларды сипаттайтын теориялық тұжырымдар бұрынғысынша дұрыс болып қалады. Алайда, макроскопиялық деңгейде мұндай болмайтын сияқты: уақыттың нақты бағыты (немесе ағыны) бар.

Шолу

Уақыт симметриясы (T симметриясы) былай түсіндіріледі: егер уақыт толық симметриялы болса, нақты оқиғалардың бейнежазбасы алға немесе кері ойнатылғанда да шынайы көрінер еді. Мысалы, гравитация – уақыт бойынша қайтымды күш. Жоғары лақтырылған, тоқтап, құлап жатқан доп – мұндай жазбалар алға да, кері де бірдей шынайы көрінер еді. Жүйе T симметриялы. Дегенмен, доптың секіріп, ақырында тоқтауы уақыт бойынша қайтымды емес. Алға жылжу кезінде кинетикалық энергия таралып, энтропия артады. Энтропия – уақыт бойынша қайтымсыз процестердің бірі болуы мүмкін. Энтропияның өсуіне қатысты статистикалық тұжырымдама бойынша, уақыттың "бағыты" еркін энергияның төмендеуімен байланысты. Физик Шон М. Кэрролл өзінің "The Big Picture" кітабында уақыттың асимметриясын кеңістіктің асимметриясымен салыстырады: физикалық заңдар әдетте изотроптық болғанымен, Жерге жақын жерде "жоғары" мен "төмен" арасында айқын айырмашылық бар, себебі бұл үлкен денеге жақындықтан туындайды, ол кеңістік симметриясын бұзады. Сол сияқты, физикалық заңдар уақыт бағытын өзгертуге қатысты әдетте симметриялы, бірақ Ұлы Жарылысқа жақын (яғни, одан кейінгі алғашқы триллиондаған жылдарда) уақытта "алға" мен "кері" арасында айқын айырмашылық бар, себебі бұл ерекше оқиғаға жақындықтан туындайды, ол уақыт симметриясын бұзады. Осы көзқарас бойынша, уақыттың барлық бағыттары – біздің Ұлы Жарылысқа және сол кездегі ерекше жағдайларға жақындығымыздың нәтижесі. (Қатаң айтқанда, әлсіз өзара әрекеттесулер кеңістіктік шағылысуға да, уақыт бағытын өзгертуге де асимметриялы. Алайда, олар екеуін де қамтитын күрделі симметрияға бағынады.)

Уақыттың термодинамикалық жебесі

Уақыт жебесі – уақыттың "бір бағыттылығы" немесе "асимметриясы". Термодинамикалық уақыт жебесі термодинамиканың екінші заңымен қамтамасыз етіледі, ол оқшауланған жүйеде энтропия уақыт өте келе артуға бейім. Энтропияны микроскопиялық тәртіпсіздіктің өлшемі ретінде қарастыруға болады; осылайша, екінші заң уақыттың оқшауланған жүйедегі тәртіп мөлшеріне қатысты асимметриялық екенін көрсетеді: жүйе уақыт бойынша дамыған сайын, ол статистикалық тұрғыдан тәртіпсіздене түседі. Бұл асимметрияны болашақ пен өткенді эмпирикалық түрде ажырату үшін пайдалануға болады, бірақ энтропияны өлшеу уақытты дәл өлшемейді. Сонымен қатар, ашық жүйеде энтропия уақыт өте келе азаюы мүмкін. Британ физигі сэр Альфред Брайан Пиппард былай деп жазды: "Сондықтан термодинамиканың екінші заңының тек статистикалық тұрғыда ғана дұрыс деген пікірге, яғни микроскопиялық бұзулар қайта-қайта орын алатынына, бірақ ешқандай маңызды бұзулар болмайтынына ешқандай негіз жоқ. Керісінше, Екінші заңның кез келген жағдайда бұзылатынын көрсететін ешқандай дәлел ұсынылмаған". Дегенмен, термодинамиканың екінші заңының бұзылуына қатысты бірнеше парадокстар бар, олардың бірі – Пуанкаренің қайталану теоремасы. Бұл уақыт жебесі басқа уақыт жебелерімен байланысты болып көрінеді және олардың кейбіреулерінің негізін құрайды, әлсіз уақыт жебесінен басқа. Гарольд Блумның 1951 жылғы "Time's Arrow and Evolution" кітабы "уақыт жебесі (термодинамиканың екінші заңы) мен органикалық эволюция арасындағы қатынас" тақырыбын талқылайды. Бұл ықпалды мәтін "эволюция мен тәртіптің қайтарылмауын және бағытын, негентропия мен эволюцияны" зерттейді. Блум эволюция Жердің бейорганикалық табиғаты мен оның термодинамикалық процестері алдын ала анықтаған белгілі бір үлгілерді ұстанды деп санайды.

Уақыттың космологиялық жебесі

Уақыттың космологиялық жебесі ғаламның кеңею бағытын көрсетеді. Ол термодинамикалық жебемен байланысты болуы мүмкін, себебі термодинамикалық бос энергияның мөлшері мардымсыз болып барады, нәтижесінде ғалам жылу өліміне (Ұлы суынуға) ұшырайды. Басқаша айтқанда, бұл ғаламның эволюциясындағы біздің орнымыздың бір көрінісі болуы мүмкін (Антрополық бұрылысқа қараңыз), онда гравитацияның әсерімен әр нәрсе жиырылып, Ұлы қысылуға (Big Crunch) апарар еді, сол кезде бұл жебе өз бағытын өзгертер еді. Егер уақыт жебесі басқа уақыт жебелерімен байланысты болса, онда болашақ – ғаламның кеңею бағыты болып табылады. Демек, ғалам, анықтама бойынша, қысқарудың орнына кеңейеді. Термодинамикалық уақыт жебесі мен термодинамиканың екінші заңы ерте ғаламдағы бастапқы жағдайлардың салдары деп саналады. Сондықтан олардың түпкілікті себебі – космологиялық құрылым.

Уақыттың сәулелі жебесі

Толқындар, радио толқындардан бастап, дыбыс толқындарына дейін және тас лақтырғандағы көлдегі толқындарға дейін, олардың бастап нүктесінен сыртқа қарай кеңейеді, тіпті толқын теңдеулері конвергентті және сәулеленуші толқындардың екі түрін де шеше алады. Алайда, мұқият жүргізілген эксперименттерде конвергентті толқындар жасалып, бұл бағыт кері қайтарылды. Сондықтан, бұл бағыт термодинамикалық бағыттан туындайды деп болжам жасауға болады, себебі конвергентті толқынды жасау үшін қажетті жағдайлар, сәулеленуші толқынға қажетті жағдайларға қарағанда көбірек реттелуді талап етеді. Басқаша айтқанда, конвергентті толқынды тудыратын бастапқы жағдайлардың ықтималдығы, сәулеленуші толқынды тудыратын бастапқы жағдайлардың ықтималдығынан әлдеқайда төмен. Шындығында, сәулеленуші толқын энтропияны арттырса, конвергентті толқын оны азайтады, бұл соңғысы қалыпты жағдайларда термодинамиканың екінші заңына қайшы келеді.

Уақыттың себептік жебесі

Себеп оның салдарынан бұрын келеді: себеп болатын оқиға, ол себеп немесе әсер ететін оқиғадан бұрын орын алады. Мысалы, бала туу сәтті ұрықтанғаннан кейін болады, керісінше емес. Осылайша, себеп-салдарлық байланыс уақыт бағытымен тығыз байланысты. Себеп-салдарлықты уақыт бағыты ретінде пайдаланудың эпистемологиялық қиындығы – Дэвид Юмнің айтуынша, себеп-салдарлық қатынасты өзіндік құбылыс ретінде қабылдау мүмкін емес; біз тек оқиғалардың тізбесін қабылдай аламыз. Сонымен қатар, «себеп» және «салдар» терминдерінің нақты мағынасын түсіндіру немесе оларға қатысты оқиғаларды анықтау өте қиын. Дегенмен, су стақанды ұстағанда, стақанның құлауы себеп болса, ал оның сынуы мен судың төгілуі – салдар екені анық көрінеді. Физикалық тұрғыдан алғанда, жүйе мен оның қоршаған ортасы арасындағы байланыстар энтропиямен бірге артады және қарапайым жағдайда, шекті жүйенің ортамен өзара әрекеттесуіне тең екені көрсетілген. Бастапқы энтропияның төмен болуы жүйеде бастапқы байланыстардың жоқтығын болжаумен бірдей; демек, байланыстар тек уақыт өте келе ғана пайда болады, керісінше емес. Болашақты бақылау немесе бір нәрсенің болуын қамтамасыз ету, іс-әрекет жасаушы мен салдар арасында байланыс тудырады, сондықтан себеп пен салдар арасындағы байланыс – термодинамикалық уақыт бағытының, термодинамиканың екінші заңының салдары болып табылады. Расында, жоғарыдағы стақанның құлау мысалында, бастапқы жағдайлар жоғары реттілікке және төмен энтропияға ие, ал соңғы күйде жүйенің салыстырмалы түрде алыс бөліктері – стақанның сынықтары, төгілген су және стақанның құлауына себеп болған зат арасында жоғары байланыстар бар.

Уақыттың кванттық жебесі

Кванттық эволюция уақыт симметриясы бар қозғалыс теңдеулерімен басқарылады (мысалы, релятивистік емес жуықтаудағы Шредингер теңдеуі) және толқындық функцияның күйреуімен, бұл уақыт бойынша қайтымсыз процесс және ол шын (кванттық механиканың Копенгагендік интерпретациясы бойынша) немесе тек көрінеді (көп әлемдердің интерпретациясы және реляциялық кванттық механиканың интерпретациясы бойынша). Кванттық декогеренция теориясы термодинамиканың екінші заңының салдарынан толқындық функцияның күйреуінің уақыт асимметриясында қалай жүретінін түсіндіреді, осылайша кванттық уақыт жебесі термодинамикалық уақыт жебесінен туындайды. Қысқасы, кез келген бөлшектің шашырауы немесе екі үлкен жүйе арасындағы өзара әрекеттесуден кейін екі жүйенің салыстырмалы фазалары бастапқыда реттелген болады, бірақ кейінгі өзара әрекеттесулер (қосымша бөлшектермен немесе жүйелермен) оларды нашарлатады, сондықтан екі жүйе декогерентті болады. Осылайша, декогеренция – микроскопиялық тәртіпсіздіктің өсуінің бір түрі, декогеренция энтропияны арттырады. Екі декогерентті жүйе кванттық суперпозиция арқылы өзара әрекеттесе алмайды, егер олар термодинамиканың екінші заңы бойынша қайтадан когерентті болмаса, бұл әдетте мүмкін емес. Реляциялық кванттық механика тілінде байқаушы өлшенген күймен байланысады, бұл байланыс энтропияны арттырады. Сет Ллойд айтқандай, "уақыт жебесі – өзара байланыстың өсуінің жебесі". Дегенмен, ерекше жағдайларда бастапқы шарттарды дайындауға болады, ол декогеренция мен энтропияның төмендеуіне әкеледі. Бұл 2019 жылы тәжірибе жүзінде көрсетілді, онда ресейлік ғалымдар тобы IBM кванттық компьютерінде кванттық уақыт жебесін кері бұруды хабарлады, бұл тәжірибе термодинамикалық уақыттан туындаған кванттық уақыт жебесін түсінуді қолдайды. Олар екі, кейін үш суперөткізгіш кубиттен тұратын кванттық компьютердің күйін бақылап, екі кубиттік компьютердің 85% жағдайында бастапқы күйіне оралғанын анықтады. Күйдің кері өзгеруі арнайы бағдарлама арқылы жасалды, бұл электронның кездейсоқ микротолқынды фондық флуктуациясына ұқсас. CPT теоремасы бойынша, бұл олардың да уақыт бойынша қайтымсыз болуы керек екенін білдіреді, сондықтан уақыт жебесі орнатылады. Мұндай процестер ғаламның ерте кезеңдеріндегі материяның пайда болуына жауапты болуы керек. Паритет пен зарядты конъюгацияның комбинациясы сирек бұзылатынын білдіреді, бұл жебе тек бір бағытта "қиындықпен" бағытталған, оны басқа жебелерден ерекшелендіреді, олардың бағыты әлдеқайда анық. Бұл жебе Джоан Ваккароның жұмысына дейін ірі масштабтағы уақытша мінез-құлыққа байланысты емес еді, ол T бұзуының сақталу заңдары мен динамикаға жауапты болуы мүмкін екенін көрсетті.