Просмотр темы

Стрела времени

alexander1995
Фрагменты из книги знаменитого астрофизика, профессора Кембриджского университета Стивена Хокинга "Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр".

До начала нынешнего века люди верили в абсолютное время. Это значит, что каждое событие можно единственным образом пометить неким числом, которое называется временем, и все точно идущие часы будут показывать одинаковый интервал времени между двумя событиями. Но открытие, что скорость света одна и та же для любого наблюдателя независимо от того, как он движется, привело к созданию теории относительности, которая отвергла существование единого абсолютного времени. Каждый наблюдатель имеет свое время, которое он измеряет своими часами, и показания часов разных наблюдателей не обязаны совпадать. Время стало более субъективным понятием, связанным с наблюдателем, который его измеряет.

Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию мнимого времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с реальным временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движением во времени вперед и назад.

Представьте себе, что со стола падает и разбивается на куски чашка с водой. Если снять это падение на пленку, то при просмотре фильма сразу станет ясно, вперед или назад прокручивается пленка. Если она прокручивается назад, то мы увидим, как лежащие на полу осколки вдруг собираются вместе и, сложившись в целую чашку, впрыгивают на стол. Вы можете утверждать, что фильм прокручивается назад, потому что в обычной жизни такого не бывает. Иначе пришлось бы закрыть фаянсовые заводы.

Чтобы объяснить, почему разбитые чашки никогда не возвращаются целыми обратно на стол, обычно ссылаются на то, что это противоречило бы второму закону термодинамики. Он гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок, или энтропия, всегда возрастает со временем. Другими словами, это похоже на закон Мерфи: все в нашем мире происходит не так, как надо. Целая чашка на столе - это состояние высокого порядка, а разбитая, лежащая на полу, находится в состоянии беспорядка. Нетрудно пройти путь от целой чашки на столе в прошлом до разбитой на полу, но обратный ход событий невозможен.

Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени - это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени.

Предположим, что Бог повелел, чтобы развитие Вселенной независимо от начального состояния заканчивалось в состоянии высокого порядка. На ранних стадиях Вселенная, вероятнее всего, находилась бы в состоянии беспорядка. Это означало бы, что беспорядок уменьшается со временем. Тогда вы видели бы, как разбитые чашки собираются из осколков и впрыгивают на стол.

Но люди, которые видели бы такие прыгающие чашки, должны быть жителями вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем. Я утверждаю, что психологическая стрела времени этих людей должна быть направлена назад, то есть они должны помнить события в будущем, но не должны помнить события, происходившие в прошлом. Увидев разбитую чашку, они вспомнили бы, как она стоит на столе, но когда она оказывается на столе, они не помнили бы, что она была на полу.

Рассуждать о человеческой памяти - весьма непростое занятие, ибо мы не знаем во всех деталях, как работает наш мозг. Зато мы знаем все о том, как действует память компьютера. Поэтому я буду говорить о психологической стреле времени для компьютеров. Мне кажется вполне логичным предположить, что и у компьютеров, и у людей психологическая стрела одна и та же. Если бы это было не так, то, имея компьютер, который помнил бы завтрашний курс акций, можно было бы прекрасно играть на бирже.

Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, оказывается тем же, в котором растет беспорядок. Как и компьютер, мы должны запоминать события в том же порядке, в котором возрастает энтропия. Второй закон термодинамики становится при этом почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором растет беспорядок. Трудно спорить с такой логикой!

Все же, почему на одном из концов времени, на том его конце, который мы называем прошлым, Вселенная должна находиться в состоянии с высокой упорядоченностью? Почему бы ей не быть в состоянии полного беспорядка? Ведь это выглядело бы более вероятным. Кроме того, почему беспорядок растет во времени в том же направлении, в котором расширяется Вселенная?

Классическая общая теория относительности не позволяет вычислить, как возникла Вселенная, потому что в сингулярной точке Большого взрыва все известные нам законы природы должны нарушаться. Таким образом, классическая общая теория oтносительности предсказывает свое нарушение.

Чтобы понять, как возникла Вселенная, необходимо обратиться к квантовой теории гравитации. Но, чтобы определить в квантовой теории гравитации состояние Вселенной, необходимо знать, как возможные истории Вселенной вели сабя на границе пространства-времени в прошлом. Необходимость знать то, что мы не знаем и знать не можем, отпадает лишь в том случае, если прошлые истории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют конечную протяженность, но у них пет ни границ, ни краев, ни особенностей. Тогда начало отсчета времени должно было быть регулярной, гладкой точкой в пространстве-времени и Вселенная начала бы свое расширение из весьма однородного и упорядоченного состояния.

Вначале Вселенная могла бы экспоненциально расширяться, или раздуваться, в результате чего ее размеры увеличились бы во много раз. Но что произошло бы, когда Вселенная перестала бы расширяться и стала сжиматься? Повернулась бы при этом стрела времени? Начал бы уменьшаться со временем беспорядок?

Перед теми, кому посчастливилось бы пережить переход из фазы расширения в фазу сжатия, открылись бы самые фантастические возможности. Может быть, они увидели бы, как осколки разбитых чашек собираются на полу в целые чашки, которые возвращаются обратно на стол? А может быть, они бы помнили завтрашний курс акций и удачно играли на бирже? Правда, беспокойство по поводу того, что случится, если Вселенная опять начнет коллапсировать, кажется несколько преждевременным - сжатия не будет еще по крайней мере десять тысяч миллионов лет.

Вначале я считал, что при коллапсе Вселенной беспорядок должен уменьшаться, потому что, став опять маленькой, Вселенная должна была бы вернуться в исходное гладкое и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия эквивалентна обращенной во времени фазе расширения. На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлении, так что люди умирали бы до своего рождения и по мере сжатия Вселенной становились бы все моложе и моложе.

Привлекательность такого вывода - в красивой симметрии между фазой расширения и фазой сжатия. Однако его нельзя рассматривать сам по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Возникает вопрос: следует ли этот вывод из условия отсутствия границ или же, напротив, с этим условием несовместим? Как уже говорилось, я считал вначале, что условие отсутствия границ в самом деле означает, что беспорядок должен увеличиваться на стадии сжатия. Но я понял, что ошибся: из условия отсутствия границ следует, что во время сжатия беспорядок должен продолжать увеличиваться.

Вернемся к стреле времени. У нас остался один вопрос: почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Если считать, что Вселенная после расширения начнет сжиматься, как, по-видимому, следует из условия отсутствия границ, то наш вопрос звучит так: почему мы должны находиться в фазе расширения, а не в фазе сжатия?

Ответ на этот вопрос дает слабый антропный принцип: условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития. Это означает, что расширение Вселенной должно происходить со скоростью, очень близкой к критической, при которой коллапс исключается, а потому коллапса не будет очень долго. Но тогда все звезды успеют сгореть, а образующие их протоны и нейтроны распадутся на более легкие частицы. Вселенная осталась бы в состоянии практически полного беспорядка.

Беспорядок не мог сильно увеличиваться, ведь Вселенная и так находилась бы в состоянии почти полного беспорядка. Неверно считать, будто беспорядок растет из-за расширения Вселенной. Всему причиной условие отсутствия границ. Из-за него растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.

Подведем итог. Законы науки не делают различия между направлением "вперед" и "назад" во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т. е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела - то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела - направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется.

Я показал, что психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения.

Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени, необходимая для существования разумной жизни. Ведь чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково.

Прогресс человека на пути познания Вселенной привел к возникновению маленького уголка порядка в растущем беспорядке Вселенной. Если вы запомните каждое слово из этой книжки, то ваша память получит около двух миллионов единиц информации, и порядок в вашей голове возрастет примерно на два миллиона единиц. Но пока вы читали эту книгу, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, которую вы получили в виде пищи, превратились в неупорядоченную энергию, которую вы передали в окружающий вас воздух в виде тепла за счет конвекции и потовыделения.

Беспорядок во Вселенной возрастет при этом примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, что в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает указанное увеличение порядка в вашем мозгу, - и это произойдет лишь в том случае, если вы запомните все из моей книжки.

В следующей главе я попытаюсь навести у нас в головах еще больший порядок. Я расскажу о том, как люди пытаются объединить друг с другом те отдельные теории, стараясь создать полную единую теорию, которая охватывала бы все, что происходит во Вселенной.

Источник: http://kabmir.com/
Изменил(а) mxm, 29-07-2009 00:55:29
 
Millisent
Получается, что хотим мы того или нет, но мы все живём, производя беспорядок. Одни кучи мусора, которые оставляет после себя человечество, чего стоят!
Впрочем, я от науки далека. Все эти "стрелы времени" для меня так или иначе всё равно сводятся в одну - ту, которую я могу ощутить. Считайте это субъективным подходом к рассмотрению проблемы.
 
alexander1995
Millisent, кучи мусора это признак цивилизации)) Дикарю вряд ли придет в голову что-нибудь запаковать в картон, к примеру, и перевезя эту вещь за 1000 км, разорвать и выбросить картон.
Спасибо за сообщение.
 
Gond
Читал саму книгу, точнее переработанный и дополненный вариант книги. Самый интересный материал - про путешествия во времени. Радует, что автор не отбрасывает идею о Творце.
 
Gospodarka
К сожалению, книгу не читала. Приведенный отрывок помог несколько упорядочить полученные из разных источников сведения по истории Вселенной. Удивило то, что ни одно приведенное утверждение не вызвало во мне противоречивых моментов. Спасибо!Cool
 
laptop51
Читала и заинтересовалась. Интересно, есть над чем задуматься, а что и переосмыслить. Если набраться смелости, то можно и поспорить, интересные мысли проскочили.
 
hexis
Мир противоречив,и не возможно его понять и осознать в полной мере,и всему виной течение времени.Осмелюсь предположить лишь что это течение времени в разных уголках нашей вселенной различно.И что произошло у нас за пару столетий,где то там может произойти за пару минут,конечно возможно это лишь моя фантазия, ну я верю что есть намного превосходящие нас цивилизации, и это их главное превосходство.
 
transcendentus
Интересная параллель между вторым законом термодинамики и стрелой времени. Мне так больше нравится подход к этому вопросу братьев Стругацких в "Пикнике на обочине" и "Понедельник начинается в субботу".
 
Viktor_svs
Рассмотрены разные способы изучения пространства с помощью логики математиков. В Евклидовом пространстве - носитель вещество, в пространстве Лобачевского - носителем является энергия. В пространстве Римана - носителем является информация. В идеальном пространстве Минковского - носитель Время. Но ведь пространство содержит в своей основе все приведённые понятия? У нас основной физической пространственной моделью остается модель Минковского, но нигде не отображается в действии подобная модель. Необходимо, чтобы человеческая логика допустила представление любых функций от любого числа аргументов. И взяла, наконец - то, в качестве такого аргумента само время, именно тогда все законы, имеющие функциональную форму, будут функциями только времени. Одного времени достаточно для представления всех известных физических законов природы. При этом такие понятия как пространство, мерность, поле, информация, энергия и др. будут представлены как те или иные отношения на оси времени. Другие физические величины такой универсальностью не обладают.
А Вам как удобно его представлять? Вакуумом, эфиром, единым энергетическим пространством, а может пространством - временем? Есть ещё вариант, что это сверхплотная структура. Но как отмахнуться от тех явлений, какие своими проявлениями опровергают подобную парадигму? Подход, (понятное дело) был математический, однако, во всех этих подходах используются величины обладающие свойствами как виртуальными, так и материальными, но необходимыми для разъяснения сути поведения каждой такой величины с остальными. Само время в данной конфигурации определённо должно быть центральной осью для других структур. Почему? Потому, что величины в виде материи, поля, энергии такой универсальностью не обладают. Другой причиной является то, что мерностей времён столько же сколько звёзд на небе и даже значительно больше, так как материальные структуры в таких мирах нуждаются в постоянной коррекции - устранении несоответствий.
Мне можно возразить, зачем тогда энергия извне? Ведь каждая материальная структура обладает способностью воспроизводить энергетические состояния из ядерной структуры материи. Но дело в том, что темп времени везде различен, но не информация о состоянии материи - она мгновенна.