Физик Махди Годазгар об оси времени, теории относительности Эйнштейна и восприятии времени в квантовой механике.

Постоянство памяти. Сальвадор Дали. 1931

Время — это то, с чем мы имеем дело каждый день и характеризуем как прошлое, настоящее и будущее. Прогрессия времени воплощается в наш опыт, и будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым. Фактически невозможно говорить о движении и динамике без концепции времени и его прогрессии. Это похоже на наше восприятие пространства. Говоря о каком-то событии, вполне реально спросить, где оно произошло и когда. Время, так же как и пространственные координаты, — это маркер для определения событий. Однако вполне ясно, что время отличается от пространства тем, как мы его воспринимаем в повседневной жизни. Если по пространственным координатам мы можем ходить свободно в любом направлении, то в случае со временем мы вынуждены двигаться вперед и все время в одном и том же темпе. Как бы мы ни старались, часы всегда будут тикать в одном темпе. Будущее будет приходить на смену настоящему, которое, в свою очередь, будет становиться прошлым. Это восприятие времени как следования одному направлению странным образом не подтверждается фундаментальным описанием природы, и этот вопрос остается одной из самых сложных загадок теоретической физики.


В классической физике время абсолютно и неизменно. Все часы тикают с одной и той же скоростью, и все люди воспринимают время одинаково. Концепция времени очень похожа на наше ежедневное восприятие его. Однако важно, что классическая физика не выбирает ось времени. Течение времени в обратную сторону — явление в физике, полностью равносильное обычному его течению. Согласно классической физике, идти по улице вперед — это то же самое, что идти по улице назад.

Что касается понятия времени, квантовая механика согласна с классической физикой. Время тикает с постоянной скоростью и используется для обозначения маркеров событий. Вместе с центральным уравнением квантовой механики, уравнением Шредингера, которое Т-симметрично, идет концепция коллапса волновой функции. Именно идея о том, что состояние системы определяется только тогда, когда внешний наблюдатель начинает ее наблюдать, и отличает квантовую механику от классической. Таким образом, коллапс волновой функции — это процесс, путем которого квантовая неопределенность разрешается. Это кажется Т-симметричным процессом. Однако, так как механизм коллапса волновой функции плохо изучен, сложно утверждать, что это механизм, который определяет ось времени. В частности, есть убедительные аргументы для того, чтобы предполагать, что это Т-симметричный процесс.


Теория относительности Эйнштейна полностью меняет нашу парадигму понимания времени. Она утверждает, что прогрессия времени неуниверсальна и зависит от того, кто ее изменяет. Согласно такой картине реальности часы тикают с разной скоростью в зависимости от того, кто их носит.

Принимая большое ускорение или находясь вблизи сильных гравитационных сил (например, рядом с черными дырами), можно изменить скорость течения времени или даже остановить его, повернуть вспять. Так гласит теория. Например, для человека, который находится внутри черной дыры, пространство и время кажутся взаимозаменяемыми, поэтому спуск в черную дыру становится неизбежным, так же как и последующее течение времени вне черной дыры. С другой стороны, время становится просто еще одним направлением, как право или лево. Относительность ставит время в равное положение с пространственными ориентирами, к которым мы привыкли. Впоследствии время может быть «изогнутым», так же как пространственные ориентиры, которые неуниверсальны. Мера этого искривления — это скорость, с которой время протекает. Тем не менее в теории относительности уравнения тоже Т-симметричны. Это значит, что они не оказывают предпочтения какой-либо оси времени.

Искривление пространства-времени

Одна из общих черт классической, квантовой и релятивистской механики, касающаяся времени, — это то, что ни одна из теорий не дает определение оси времени. Конечно, решения этих уравнений могут нарушить Т-симметрию, но сами теории Т-симметричны. Так откуда же взялась Т-симметрия? Большая часть Т-симметрии — это результат термодинамики. В частности, второй закон термодинамики гласит, что энтропия системы возрастает с течением времени. Вследствие этого закона вы, к примеру, никогда не увидите, как лужа воды, тающая на солнце, формирует кусок льда и нагревает округу. Следует подчеркнуть, что этот закон — это скорее статистическое утверждение, чем строгий математический результат, полученный из уравнения фундаментальной физики. Почему такой статистический закон должен быть правдой и как он связан с фундаментальными законами физики? Этот вопрос сейчас является «проблемой оси времени».

Махди Годазгар, PhD in Theoretical Physics; Research fellow, King's College and DAMTP, University of Cambridge.
Источник: Serious Science