Введение
Концепция однонаправленности времени
Стрела времени, также называемая направлением времени, – это концепция, постулирующая "одностороннее направление" или "асимметрию" времени. Она была разработана в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном и остаётся нерешённым вопросом общей физики. Согласно Эддингтону, это направление можно было бы определить, изучая организацию атомов, молекул и тел, и его можно было бы изобразить на четырехмерной релятивистской карте мира ("сплошной блок бумаги"). Парадокс стрелы времени впервые был отмечен в 1800-х годах для газов (и других веществ) как расхождение между микроскопическим и макроскопическим описанием термодинамики / статистической физики: на микроскопическом уровне физические процессы считаются либо полностью, либо преимущественно симметричными относительно времени – если бы направление времени изменилось, теоретические утверждения, описывающие их, оставались бы верными. Однако на макроскопическом уровне часто наблюдается обратное: существует очевидное направление (или течение) времени.
Обзор
Симметрия времени (T-симметрия) может быть понята просто следующим образом: если бы время было идеально симметричным, видео реальных событий выглядело бы реалистичным, независимо от того, проигрывается ли оно вперед или назад. Гравитация, например, является силой, обратимой во времени. Мяч, подброшенный вверх, замедляющийся и падающий вниз, – это пример, когда записи выглядели бы одинаково реалистично в обоих направлениях. Эта система обладает T-симметрией. Однако процесс отскока мяча и его последующей остановки не является обратимым во времени. При движении вперед кинетическая энергия рассеивается, а энтропия возрастает. Энтропия может быть одним из немногих процессов, не обладающих обратимостью во времени. Согласно статистическому представлению об увеличении энтропии, "стрела времени" отождествляется с уменьшением свободной энергии. В своей книге "Большая картина" физик Шон М. Кэрролл сравнивает асимметрию времени с асимметрией пространства: хотя физические законы в целом изотропны, вблизи Земли существует очевидное различие между "верхом" и "низом" из-за близости к этому огромному телу, которое нарушает симметрию пространства. Аналогично, физические законы в целом симметричны относительно изменения направления времени, но вблизи Большого взрыва (то есть в первые многие триллионы лет после него) существует очевидное различие между "прошлым" и "будущим" из-за относительной близости к этому уникальному событию, которое нарушает симметрию времени. С этой точки зрения, все "стрелы времени" являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых условий, существовавших тогда. (Строго говоря, слабое взаимодействие асимметрично как относительно зеркального отражения, так и относительно изменения направления времени. Однако оно подчиняется более сложной симметрии, включающей оба эти аспекта.)
Термодинамическая стрелка времени
Стрела времени – это "однонаправленность" или "асимметрия" времени. Термодинамическая стрела времени обусловлена вторым законом термодинамики, который утверждает, что в изолированной системе энтропия имеет тенденцию к увеличению со временем. Энтропию можно понимать как меру микроскопического беспорядка; таким образом, второй закон подразумевает, что время асимметрично по отношению к степени упорядоченности в изолированной системе: по мере развития системы во времени она становится статистически более беспорядочной. Эта асимметрия может быть эмпирически использована для различения будущего и прошлого, хотя измерение энтропии не является точным измерением времени. Кроме того, в открытой системе энтропия может уменьшаться со временем. Британский физик сэр Альфред Брайан Пиппард писал: "Таким образом, нет оснований для распространенного, часто легкомысленно повторяемого мнения, что второй закон термодинамики верен лишь статистически, в том смысле, что микроскопические нарушения происходят неоднократно, но никогда не достигают значительной величины. Напротив, никогда не было представлено доказательств того, что второй закон нарушается при каких-либо обстоятельствах". Однако существует ряд парадоксов, связанных с нарушением второго закона термодинамики, один из которых вытекает из теоремы Пуанкаре о рекуррентности. Эта стрела времени, по-видимому, связана со всеми другими стрелами времени и, возможно, лежит в основе некоторых из них, за исключением слабой стрелы времени. В книге Гарольда Блума "Стрела времени и эволюция" (1951) рассматривается "взаимосвязь между стрелой времени (вторым законом термодинамики) и органической эволюцией". Этот влиятельный текст исследует "необратимость и направленность в эволюции и порядке, негентропию и эволюцию". Блум утверждает, что эволюция следовала определенным закономерностям, предопределенным неорганической природой Земли и ее термодинамическими процессами.
Космологическая стрелка времени
Космологическая стрела времени указывает направление расширения Вселенной. Она может быть связана с термодинамической стрелой, поскольку Вселенная движется к тепловой смерти (Большому холоду) по мере того, как количество термодинамически доступной энергии становится пренебрежимо малым. В качестве альтернативы, это может быть следствием нашего положения в эволюции Вселенной (см. антропный принцип), при этом стрела изменит направление, когда гравитация вернет всё обратно к Большому сжатию. Если эта стрела времени связана с другими стрелами времени, то будущее по определению – это направление, в котором Вселенная становится больше. Следовательно, Вселенная расширяется, а не сжимается, по определению. Считается, что термодинамическая стрела времени и второй закон термодинамики являются следствием начальных условий в ранней Вселенной, и, следовательно, в конечном итоге обусловлены космологической структурой.
Радиационная стрелка времени
Волны, от радиоволн до звуковых и волн на пруду от брошенного камня, распространяются от своего источника, хотя волновые уравнения допускают решения как для сходящихся, так и для расходящихся волн. В тщательно спланированных экспериментах направление этого процесса было изменено на обратное, создав сходящиеся волны. Вероятно, это связано с термодинамической стрелой времени: для создания сходящейся волны требуется больше порядка, чем для расходящейся. Иными словами, вероятность начальных условий, приводящих к сходящейся волне, значительно ниже, чем вероятность начальных условий, приводящих к расходящейся. Фактически, расходящаяся волна обычно увеличивает энтропию, а сходящаяся – уменьшает, что делает последнюю противоречащей второму закону термодинамики в обычных условиях.
Причинная стрелка времени
Причина предшествует следствию: причинное событие происходит до события, которое оно вызывает или затрагивает. Рождение, например, следует за успешным зачатием, а не наоборот. Таким образом, причинность тесно связана со стрелой времени. Эпистемологическая проблема использования причинности в качестве стрелы времени заключается в том, что, как утверждал Дэвид Юм, сама причинно-следственная связь не поддается восприятию; мы воспринимаем лишь последовательности событий. Более того, удивительно сложно дать четкое определение терминам «причина» и «следствие» или определить события, к которым они относятся. Однако очевидно, что падение чашки с водой является причиной, а последующее разбитие чашки и пролитие воды – следствием. С физической точки зрения, корреляции между системой и ее окружением, как считается, возрастают с энтропией и в упрощенном случае конечной системы, взаимодействующей с окружающей средой, оказались эквивалентны ей. Предположение о низкой начальной энтропии действительно эквивалентно предположению об отсутствии начальных корреляций в системе; следовательно, корреляции могут возникать только по мере продвижения во времени, а не в обратном направлении. Управление будущим или вызывание какого-либо события создает корреляции между действующим лицом и следствием, и поэтому связь между причиной и следствием является результатом термодинамической стрелы времени, следствием второго закона термодинамики. Действительно, в приведенном выше примере с падающей чашкой начальные условия характеризуются высоким порядком и низкой энтропией, в то время как конечное состояние демонстрирует высокие корреляции между относительно удаленными частями системы – осколками чашки, пролитой водой и объектом, который вызвал падение чашки.
Квантовая стрелка времени
Квантовая эволюция определяется уравнениями движения, симметричными относительно времени (например, уравнение Шрёдингера в нерелятивистском приближении), и коллапсом волновой функции, который является необратимым во времени процессом. Коллапс либо реален (в соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики), либо лишь кажущийся (в соответствии с интерпретацией многих миров и интерпретацией реляционной квантовой механики). Теория квантовой декогерентности объясняет, почему коллапс волновой функции происходит асимметрично во времени из-за второго закона термодинамики, тем самым выводя квантовую стрелу времени из термодинамической стрелы времени. По сути, после любого рассеяния частиц или взаимодействия между двумя более крупными системами относительные фазы этих систем сначала упорядоченно связаны, но последующие взаимодействия (с дополнительными частицами или системами) приводят к их разупорядочиванию, в результате чего системы становятся декогерентными. Таким образом, декогерентность представляет собой форму увеличения микроскопического беспорядка, иными словами, декогерентность увеличивает энтропию. Две декогерентные системы больше не могут взаимодействовать посредством квантовой суперпозиции, если только они снова не станут когерентными, что обычно невозможно в соответствии со вторым законом термодинамики. В терминах реляционной квантовой механики наблюдатель запутывается с измеряемым состоянием, при этом эта запутанность увеличивает энтропию. Как утверждал Сет Ллойд, «стрела времени – это стрела возрастающих корреляций». Однако при определенных обстоятельствах можно подготовить начальные условия, которые приведут к уменьшению декогерентности и энтропии. Это было экспериментально продемонстрировано в 2019 году, когда группа российских ученых сообщила об обращении квантовой стрелы времени на квантовом компьютере IBM, в эксперименте, подтверждающем понимание квантовой стрелы времени как возникающей из термодинамической. Наблюдая за состоянием квантового компьютера, состоящего из двух, а затем и трех сверхпроводящих кубитов, они обнаружили, что в 85% случаев двухкубитный компьютер возвращался в исходное состояние. Обращение состояния было осуществлено специальной программой, аналогично случайным микроволновым флуктуациям в случае электрона. Согласно теореме CPT, это означает, что эти процессы также должны быть необратимы во времени и, следовательно, устанавливать стрелу времени. Такие процессы должны быть ответственны за создание материи в ранней Вселенной. Тот факт, что комбинация чётности и конъюгации заряда нарушается так редко, означает, что эта стрела лишь «едва» указывает в одном направлении, что отличает её от других стрел, направление которых гораздо более очевидно. Эта стрела не была связана с каким-либо крупномасштабным временным поведением до работы Джоан Ваккаро, которая показала, что нарушение T-инвариантности может быть ответственно за законы сохранения и динамику.