Поток времени

Современная теоретическая физика наводит на мысль, что течение времени это не более чем иллюзия: просто есть вся вселенная, без наделения каким-либо особым значением текущего момента времени. Эта статья показывает, что такая точка зрения, по существу представляемая обычными пространственно-временными диаграммами, основана на обратимых по времени микрофизических законах, которые не в состоянии схватить существенные черты необратимой во времени природы декогеренции и процесса квантового измерения, а также и макро-физического поведения и развития возникающих сложных систем, в том числе жизни, которые существуют в реальной Вселенной. Когда они будут приняты во внимание, неизменный вид блок-Вселенной в пространстве-времени лучше всего заменить на развивающуюся блок-Вселенную, которая расширяется с течением времени, с потенциально возможным будущим, которое постоянно становится определенным прошлым; само по себе пространство-время эволюционирует, как и те сущности, которые находятся в нем. Однако на этот раз эволюция не связана с какой-либо предпочтительной гиперповерхностью в пространстве-времени, а, скорее это связано с эволюцией собственного времени вдоль семейства мировых линий. Изначально фундаментальная физика не должна считать время необратимым при эволюции физических состояний: это постоянное и необратимое развитие самого времени.

Поток времени

Наиболее важным свойством времени является то, что оно разворачивается. Настоящее отличается как от прошлого так и от будущего, которые в свою очередь полностью отличаются друг от друга: прошлое фиксировано, а будущее изменчиво. Настоящим является момент перехода между этими двумя состояниями. Время, которое присутствует на этот момент окажется в прошлом в следующий момент. Это процесс неизменной прокрутки: в то время как мы можем повлиять на то, что происходит во времени, мы не можем влиять на то, что само время движется дальше и дальше. Как заявил Омар Хайям

В Книге Судеб ни слова нельзя изменить.
Тех, кто вечно страдает, нельзя извинить,
Можешь пить свою желчь до скончания жизни:
Жизнь нельзя сократить и нельзя удлинить.

Именно эта фундаментальная особенность времени и не охвачена теоретической физикой сегодня, хотя это наиболее очевидная и решающая особенность времени в повседневной жизни. Это разделение схвачено очень четко в книге Юлиана Барбура «Конец времени» [1], в которой предполагается, что поток времени, является иллюзией. Этот вывод сделан, поскольку решения уравнения Уилера-деВитта, фундаментального уравнения в квантовой гравитации для волновой функции Вселенной (содержащей всю информацию о геометрии и содержании материи во Вселенной), не зависят от времени. Барбур принимает это всерьез и поэтому пришел к своему заключению.

Аналогичные выводы вытекают из более общего анализа уравнений теоретической физики, ведущим (явно или не явно) к картине пространства-времени, называемой «блок-Вселенная», где представление времени не имеет особого смысла: ведь оно часто даже не представлено на соответствующих пространственно-временных диаграммах. Тесно связан решающий вопрос о необратимости времени: законы физики, химии, и биологии необратимы на макроуровне, о чем свидетельствует в частности, второй закон термодинамики, хотя законы фундаментальной физики (уравнение Дирака, уравнение Шредингера, уравнения Максвелла, полевые уравнения граваитации Эйнштейна, диаграммы Фейнмана) по времени обратимы. Эта необратимость является ключевым аспектом потока времени: если бы процессы были обратимы на макроуровне, то не было бы подлинного различия между прошлым и будущим, и физическая эволюция могла бы пойти в любую сторону без изменения результата, оба события были бы в равной степени определены настоящим. Очевидное течение времени не имело бы реальных последствий, и вещи были бы равно предсказуемы как в прошлом так и в будущем.

Итак, что же, действительно особенность потока времени и стрелы времени это свойство появления сложности, истинное в более крупных масштабах, но не на микро уровнях? Я не буду спорить: необратимость времени и поток времени являются решающими и уже встроены в квантовую механику, в процессе квантового измерения, однако толкуют это по разному: и как коллапс волновой функции [2], и через рассмотрение многих вселенных ([3]: 156-159), и через декогеренцию [4] и/или множественность историй [5]. Это тогда влияет на всю остальную физику, и, следовательно, химию и биологию, хотя есть некоторые обстоятельства, при которых граничные условия и локальные уравнения состояния приводят к почти обратимому поведению. Поток времени влияет не только на физические процессы в пространстве-времени, но и на саму структуру собственно пространства-времени, поэтому Эволюционирующая Блок-Вселенная («ЭБВ») [6] соответствует фотографии пространства-времени для использования, где настоящее отличается от прошлого и будущего, и сама природа будущего (в том числе пространства-времени) является неопределенной до момента его наступления.

Это имеет различные последствия: это означает, что попытки объяснить стрелу времени или другие особенности локальной физики с помощью нисходящих процессов из будущего или сравнение граничных условий в бесконечном будущем и прошлом, не могут добиться успеха потому, что будущее еще не существует и поэтому не может быть принято во внимание в таких расчетах. Это влияет на обсуждение замкнутых времениподобных линий и на предполагаемого космического цензора, который может предотвратить нарушение причинности. Это влияет на попытки продвигать предполагаемую незначительность настоящего в теоретической физике в реальных жизненных ситуациях, таких как обсуждение свободной воли. И это локализует ключевой вопрос потока времени, где он есть: как локальный процесс в основах квантовой теории измерений и, предположительно, квантовой гравитации. В самом деле, возможно учет должным образом потока времени может быть важным шагом в развитии удовлетворительной теории квантовой гравитации.

Квантовый поток времени

Является ли поток времени чисто макро явлением, возникающим в процессе образования крупнозернистой структуры [2] из микрофизических областей, где нет ни течения времени, ни стрелы времени? Нет, потому что процесс квантового измерения не обратим во времени. В процессе измерения, волновая функция эволюционирует практически мгновенно к собственному состоянию (следующее измерение даст тот же результат с полной уверенностью), но конкретное собственное состояние не предсказуемо: исход известен только, как некий результат. Он изначально непредсказуем, но вероятности различных результатов эволюции во время измерения известны, в самом деле, это принцип квантовой теории. Тем не менее непредсказуемость квантовой теории является гораздо более серьезной в прошлом, чем будущем: даже вероятности неизвестны. Поэтому фундаментальная необратимость есть уже на квантовом уровне.

Более формально: если измерение наблюдаемой $A$ произведено в момент времени $t=t_*,$ начальная волновая функция $\psi(x)$ является линейной комбинацией собственных функций $u_n(x)$ оператора $\tilde{A}$, который представляет $A$: для $t < t_*,$ волновая функция

\begin{equation} \label{eq1} \psi_1(x)=\sum_n \psi_n u_n(x) \end{equation} ([3]:5-7).Но сразу, после того как провели измерение, волновая функция есть собственная функция $\tilde{A}$: то есть \begin{equation} \label{eq2} \psi_2(x)= a_N u_N(x) \end{equation} для некоторого конкретного значения $N.$ Данные для $t < t^*$ не определяют индекс $N,$ они только определяют, что вероятность измерения $A$ будет принимать частное собственное значение $a_N$ такое, что \begin{equation} \label{eq3} Prob(A=a_N; \psi)=|\psi_N|^2. \end{equation}

Можно считать, что это следствие вероятностного необратимого во времени коллапса волновой функции ([2]: 260-263). Привлечение многомирового описания ([3]: 156-159) не поможет: в актуально опытной (наблюдаемой) вселенной, в которой мы проводим измерения, N непредсказуемо. Аналогичным образом, утверждение, что это на самом деле из-за декогеренции [4] происходит, также не имеет никакого практического различия: мы до сих пор не можем однозначно предсказать будущее из прошлого и лучшее, что мы можем сделать – это предсказание, приведенное в формуле \eqref{eq3}. Таким образом, исходное состояние \eqref{eq1} не определяет однозначно конечное состояние \eqref{eq2}; и это не из-за отсутствия данных, а это связано с основополагающим характером квантовых взаимодействий. Вы можете предсказать статистику о том, что, вероятно, произойдет но не уникальный физический результат, который разворачивается непредсказуемым образом тогда, как время прогрессирует; Вы можете только узнать результат после того, как он случился. Более того, в общем случае и время $t_*,$ когда происходит событие также не предсказуемо из исходных данных: Вы не знаете, когда «коллапс волновой функции» (переход от \eqref{eq1} к \eqref{eq2}) произойдет (Вы не можете предсказать, когда конкретный возбужденный атом будет испускать фотон или радиоактивная частица распадется). Мы также не можем заглянуть в прошлое на квантовом уровне, потому что когда волновая функция развалилась на собственное состояние, мы не можем сказать исходя из конечного состояния, что было до измерения. Вы не можете восстановить однозначно прошлое из состояния \eqref{eq2} сразу же после измерения или из любого более позднего состояния, которое эволюционирует согласно уравнению Шредингера в более поздние времена $t > t_*,$ потому что знание этого более позднего состояния не достаточно, чтобы определить начальное состояние \eqref{eq1} на временах $t < t_*:$ набор величин $\psi_n$ не определяется одним числом $a_N.$ Не существует ни аналога \eqref{eq3}, который даже вероятностно определяет $\psi_1$ из $u_N,$ ни какого-либо уравнения, определяющего $t_*$ задним числом. Ситуация полностью асимметрична во времени. Аналогичным образом, декогеренция является процессом, который происходит в одном направлении во времени, она не обратима во времени.

Ключевой момент: квантовая физика вводит процесс непредсказуемости и стрелу времени: поток времени встроен глубоко в природу.

Можно действительно увидеть, что процесс коллапса происходит с помощью высоко точных экспериментов [7]. Что бы ни было основанием теории, вероятно, придется принять то, что происходит, потому, что это эффективно происходит в солидных экспериментах.

Реалистичная картина пространства-времени

Картина обратимого времени фундаментальной физики, лежащая в основе позиции блок-Вселенной просто не принимает такого рода явления во внимание, именно потому, что она не принимает во внимание ни ход времени в квантовых измерениях, ни то как сложные явления возникают из лежащей в основе микрофизики, с появлением макроскопической стрелы времени в качестве основной особенности химии, биологии и человеческой жизни. Она не принимает всерьез физику и биологию реального мира, а скорее представляет идеализированный взгляд на вещи, которые достаточно точно в определенных очень ограниченных ситуациях (например, лабораторные эксперименты, где все внешние воздействия, за исключением экспериментатора исключаются).

Для того чтобы принять во внимание поток времени, который на самом деле происходит как в квантовом мире так и в макро масштабах, мы должны изменить фотографии блок-Вселенной таким образом, чтобы адекватно представлять причинность в этих контекстах. Как мы можем предусмотреть пространство-время и объекты в нем как разразворачивающиеся во времени? Способом сделать это является рассмотрение модели реальности как Эволюционирующей Блок-Вселенной, с пространством-временем постоянно растущем и включающем все больше событий с течением времени вдоль каждой мировой линии [6].

Чтобы мотивировать это, рассмотрим следующий сценарий: массивный объект имеет ракетные двигатели, расположенные на его краях, чтобы заставить его двигаться влево или вправо. Двигатели управляются компьютером, который решает с какой периодичностью используется поочередно каждый двигатель, на основе нелинейного времени-зависимого преобразования сигналов, полученных от детектора частиц, прибывших из-за случайных распадов радиоактивного элемента. Эти сигналы в каждый момент времени определяют, что на самом деле происходит из множества всех возможных исходов, определяя фактический пространственно-временной путь объекта из множества всех возможных путей (рис. 1). Этот результат не определяется начальными данными при любом предыдущем времени, из-за квантовой неопределенности в радиоактивных распадах. Так как объект массивен, следовательно, это вызывает искривление пространства-времени, причем сама по себе структура пространства-времени не определена, пока движения объекта определяется таким образом. Мгновенье за мгновеньем, пространственно-временная структура изменяется от неопределенной (т.е. еще не определенной из всех возможных вариантов) до определенный (т.е. определенной конкретными физическими процессами, описанными выше). Таким образом, определенная структура пространства-времени приходит в бытие с течением эволюцинирующего времени. Оно неизвестно и непредсказуемо до того как становится определенным.

Рисунок 1: Мировая линия движения частицы, которой управляют случайным образом, так, что то, что происходит, определяет то, как это происходит. Слева событиях определенные до времени  но не после того; справа, события определенные до времени   но не после того.

Рисунок 1: Мировая линия движения частицы, которой управляют случайным образом, так, что то, что происходит, определяет то, как это происходит. Слева событиях определенные до времени $t_1,$ но не после того; справа, события определенные до времени $t_2 > t_1,$ но не после того.

Что-то по существу, эквивалентное уже имело место в истории Вселенной. В соответствии со стандартной инфляционной моделью очень ранней Вселенной, мы не можем предсказать конкретные крупномасштабные структуры, существующие во Вселенной сегодня по данным в начале инфляционной эпохи расширения, потому что неоднородности плотности в более поздние времена выросли из случайных квантовых флуктуаций в эффективном скалярном поле, которое доминирует на очень ранних временах:

«Инфляция предлагает объяснение скучивания материи во Вселенной: квантовые флуктуации загадочной субстанции, которая поддерживала [инфляционное] расширение далее будут вспучены до астрофизических масштабов и, следовательно, послужили семенами для звезд и галактик» ([8], см. [9] для подробной информации).

Отсюда следует, что существование нашей конкретной Галактики, не говоря уже о планете Земля, не было однозначно определено начальными данными в очень ранней Вселенной. Квантовые флуктуации, которые усиливаются до галактических масштабов непредсказуемы в принципе. Таким образом пространственно-временная эволюция не предсказуема, даже принципиально в физически реализуемых случаях. Результат определяется только как он случился.

Модель пространства-времени в стиле Эволюционирующей Блок-Вселенной представляет ситуацию такого типа, показывая, как время прогрессирует, события происходят, и история формируется. Все могло бы быть иначе, но секунда за секундой, конкретная эволюционная история из всех возможностей выбирается, происходит, и получается высеченной в камне. Как это происходит, показано на диаграмме пространства-времени, приведенной на Рисунке 2. Эта идея была предложена много лет назад Броадом (Broad [10]), но так и не прижилась в физическом сообществе. Предложение здесь таковое, что она представляет основополагающий характер физики, а также и биологии. Более привычные пространственно-временные блок-диаграммы просто опускают существенную особенность физической реальности.

Рисунок 2: Картина эволюции искривленного пространства-времени, которая относится к макроявлениям. Время эволюционирует вдоль каждой мировой линии, расширяя определенное пространство-время, как это показано (что могло бы быть изменениями в том, что произошло; неопределенное становится определенным). Конкретные поверхности не имеют фундаментального значения и приведены только для удобства (мы нуждаемся в координатах, чтобы описать, что происходит). Вы не можете локально предсказать уникально ли будущее или прошлое по данным любой поверхности «времени» (даже при том, что прошлое уже определено). Это верно и для физики, и (следовательно) для пространства-времени непосредственно: развивающаяся природа пространства-времени определенная эволюцией (к будущему) материи в нем.

Рисунок 2: Картина эволюции искривленного пространства-времени, которая относится к макроявлениям. Время эволюционирует вдоль каждой мировой линии, расширяя определенное пространство-время, как это показано (что могло бы быть изменениями в том, что произошло; неопределенное становится определенным). Конкретные поверхности не имеют фундаментального значения и приведены только для удобства (мы нуждаемся в координатах, чтобы описать, что происходит). Вы не можете локально предсказать уникально ли будущее или прошлое по данным любой поверхности «времени» (даже при том, что прошлое уже определено). Это верно и для физики, и (следовательно) для пространства-времени непосредственно: развивающаяся природа пространства-времени определенная эволюцией (к будущему) материи в нем.

Общая теория относительности

На рисунке 2 настоящее представлено в виде неопределенного характера потенциальных физических событий, которые превращаются в определенный результат, и даже характер будущего пространства-времени является неопределенным, пока оно не будет определено в то время, наряду с физическими событиями, которые происходят в нем. Тем не менее, переход от настоящего к прошлому не происходит на конкретных пространственноподобных поверхностях, определенными каким-либо универсальным временем, определенным такими пространственноподобными поверхностями; а, скорее это происходит поточечно на каждом пространственно-временном событии. Прошлое определяется в каждом событии, будущее неопределено, и [здесь]-теперь является моментом перехода от одного состояния в другое поточечным путем. Однако, это удобно рассматривать эволюцию как происходящую по времениподобной или светоподобной мировым линиям, связанных с текущими физическими процессами. Действительно, это настоятельно рекомендуется, что либо время определяется в общей теории относительности, как интеграл по пути вдоль времениподобных мировых линий, либо также по тому, что физические эффекты, которые определяют, что происходит вдоль историй материи, представленных времениподобными мировыми линиями или светоподобными мировыми линиями . Что более важно, будет зависеть от эпохи в истории Вселенной; вообще в последнее время времениподобные мировые линии считаются лучшими, чем светоподобные (когда светоподобно оринтированные процессы имеют важное значение, как правило, много нулевых мировых линий будет вовлечено и эффект в среднем составляет времениподобно ориентированный процесс).

Но тогда возникает вопрос: какая мировая линия должна быть выбрана? Потенциальная проблема заключается в произволе выбора мировых линий. Вероятно, должно быть два варианта: либо
- мы рассматриваем эволюцию времени, которой будет разрешено проходить по любым мировым линиям где бы то ни было и безо всякого предпочтения,
либо
- эволюция времени происходит по предпочтительным мировым линиям, связанным с нарушением симметрии, что приводит к появлению времени, и, предположительно, к стреле времени [11,12].

В последнем случае, вопрос в том, какие мировые линии являются ключевыми, чтобы играть эту важную физическую роль? В конкретных реалистичных физических ситуациях, будут предпочтительные мировые линии, связанные со средним движением материи в настоящее время, как в случае с космологией – будут предпочтительные временные поверхности, связанные с безвихревым потоком материи. Это происходит, в частности, в случае идеализированных стандартных моделей космологии Робертсона-Уокера, где до тех пор, пока материя присутствует, существуют однозначные предпочтительные безвихревые и без сдвига мировые линии, которые являются собственными векторами тензора Риччи. Затем они образуют правдоподобный и наилучший базис для описания физических событий и эволюции материи: существует единственная физическая эволюция определяемая по каждому такому семейству мировых линий со связанными уникальными поверхностями времени, которые инвариантны относительно симметрии пространства-времени. Тогда можно предположить, что эволюция времени связана с этими предпочтительными времениподобными мировыми линиями и возможно, связана с пространственноподобными поверхностями, являясь возникающей собственностью, связанной с нарушенной симметрией представляемой этими геометрическими особенностями в искривленных пространства-временах.

Но может быть несколько конкурирующих такого выбора мировых линий в более реалистичных случаях, например, реалистично возмущенные космологические модели, такие как необходимые для исследования формирования структуры будут иметь нескольких материальных компонент с разными 4-скоростями. По этой причине, мы могли бы скорее рассмотреть эволюцию как проходящую вдоль произвольного семейства мировых линий, соответствующих свободе выбора вектора сдвига в ADM-формализме общей теории относительности [13]. Ключевой результат здесь то, что ни один уникальный выбор для этих мировых линий не может быть сделан в стандартной для ОТО ситуации с простыми уравнениями состояния, теория ADM говорит, что мы локально получим тот же результат для эволюции пространства-времени, независимо от мировых линий избранных нами. Вы можете выбрать любые линии времени, на которых вы хотели бы показать, как все будет эволюционировать в разных местах (то есть, на мировых линиях различных наблюдателей) и в разное время (то есть, в разное время вдоль этих мировых линий). Но эта точка зрения не имеет фундаментально привилегированного статуса: вы могли бы выбрать различные мировые линии, соответствующие различным векторам сдвига, и различной связи между временами на мировых линиях, соответствующих различным выборам промежуток функции; в результате четырех-мерное пространство-время остается тем же самым. В любой конкретной ситуации, некоторые из этих описаний будут более естественными и простыми в использовании и понятными, чем другие; но это лишь только вопрос удобства, и любые другие поверхности и мировые линии можно было бы выбрать.

Узкой тропой

Неоднократно высказывались предположения о том, что обратимость имеет космологическое происхождение, связанное с рождением нашей Вселенной. И космология, действительно, необходима для объяснения того, почему стрела времени универсальна, но необратимые процессы не прекратились с рождением нашей Вселенной; они все еще продолжаются и поныне на всех уровнях, включая геологическую и биологическую эволюцию. Хотя диссипативные структуры стали самым обычным явлением, которое исследователи могли по своему желанию воспроизводить в лаборатории и наблюдать в крупномасштабных процессах, происходящих в биосфере, необратимость могла быть окончательно понята только в терминах макроскопического описания, которое по традиции отождествлялось с классической и квантовой механикой. Для этого требуется новая формулировка законов природы, которая базируется не на определенности, а на потенциальной возможности.

Принимая, что будущее не определено, мы тем самым подходим к концу определенности. Означает ли такое допущение поражение человеческого разума? Отнюдь нет! Мы убеждены в обратном. Итальянский автор Итало Кальвино выпустил в свет замечательный сборник рассказов «Космикомикс», в котором действующие лица, жившие на очень ранней стадии развития нашей Вселенной, собираются вместе и предаются воспоминаниям о тех ужасных временах, когда Вселенная была столь мала, что их тела полностью ее заполняли [1].

Какой была бы история физики, если Ньютон оказался членом этого сообщества? Он смог бы наблюдать рождение и гибель частиц, взаимную аннигиляцию вещества и антивещества. С самого начала Вселенная представлялась бы ему как сильно неравновесная термодинамическая система с неустойчивостями и бифуркациями.

Ныне мы можем изолировать простые динамические системы и подвергнуть проверке законы классической и квантовой механики. Тем не менее они соответствуют идеализациям, применимым к устойчивым динамическим системам во Вселенной — гигантской термодинамической сильно неравновесной системе, в которой мы обнаруживаем флуктуации, неустойчивости и эволюционные паттерны на всех уровнях. С другой стороны, определенность долгое время ассоциировали с отрицанием времени и творческого начала.

Таким образом, в классическом случае ОТО, мы получим согласованную картину: вещи, действительно, такие как мы воспринимаем их. Время катится вдоль каждой мировой линии; прошлые события на мировой линии являются фиксированными, а будущие события на каждой мировой линии неизвестны. Пространство-время растет: даже пространственно-временная структура сама по себе должна определяться ходом эволюции (рис. 2). Метрический тензор определяет темп изменения времени по отношению к координатам, так как это и есть основной смысл метрики [14]. Калибровочное условие определяет, как координаты продолжают на будущее. Уравнения сохранения плюс уравнения состояния и связанные с ними эволюционные уравнения определяют, как вещество и поля изменятся в будущем, в том числе поведение идеальных часов, которые измеряют ход времени. Уравнения поля определяют, как эволюционирует метрика с течением времени, и, следовательно, определяют кривизну будущего пространства-времени. Удобно ввести локальные координаты, чтобы определить, как это работает, включая расщепление пространства-времени на пространство и время, как в ADM-формализме [13], с эволюцией вдоль координатных линий, как определяется функцией сдвига. Все сходится последовательно, определяя эволюцию как пространства-времени так и материи и поля в нем, как это продемонстрировано для простых уравнений состояния по теореме существования и единственности из общей теории относительности ([14]: 226-255).

Квазиклассическая гравитация

Таким образом, нет единственного выбора, который должен быть сделан для обычного ADM-формализма, который детерминирован; ибо эти стандартные теоремы предполагают правила классической детерминированной физики микромира. Но все дело в этой статье, что большинство моделей не детерминированы, необратимые непредсказуемые процессы и возникающие свойства будут принимать участие в определении кривизны пространства-времени. Реалистичное расширение выше указывает, что полу-классический случай будет учитывать квантовую неопределенность в эволюции материи и поля, что дает вероятность дальнейшей эволюции частиц, полей, и, следовательно, пространства-времени, а не определенный прогноз. Квантовая эволюция будет определять фактические результаты вероятностным путем. Но тогда проблема в том, что если два выбора мировых линий сделаны в двух различных индетерминистских будущих, то вполне вероятно, что две эволюции будут не согласованы. В таком случае мы имели бы нечто более похожее на Уилеровское «много осязаемое время» - различные собственные времена вдоль произвольных мировых линий не связать вместе, чтобы сформировать глобальную концепцию времени, которая имеет смысл при определении уникальной эволюцию вдоль всех мировых линий. Как же тогда эволюционирующая блок-Вселенная возникнет из этой ситуации?

Фундаментальный наблюдательный факт в том, что

- В реальной области Вселенной, где мы фактически живем, единственная классическая пространственно-временная структура, действительно, возникает на макро масштабах из оснований физики.

Следовательно, все условия интегрируемости необходимы для того чтобы это произошло, и они действительно происходят в нашей Вселенской области, и мы в состоянии описать, что происходит согласно картине эволюционирующей блок-Вселенной.

Следовательно, все условия интегрируемости необходимы для того чтобы это произошло, и они действительно происходят в нашей Вселенской области, и мы в состоянии описать, что происходит согласно картине эволюционирующей блок-Вселенной. По этой причине, мы можем рассматривать специальную и общую теории относительности как успешные теории в соответствующих контекстах, в локальной области Вселенной, в которой мы живем. Это связано с возникновением классической теории из оснований квантовой теории [5,15].

Последствия

В некоторых случаях, классическая физика возникает из квантовой теории, как приближение, в котором физические процессы обратимы во времени. На макроуровне результат почти всегда будет необратимым, как из-за диссипативных процессов, таких как трение, которые возникают на более высоких уровнях, так и из-за появления сложных систем, где поток энтропии есть неумолимая особенность жизни, и в самом деле одна из самых фундаментальных особенностей химии и биологии (в лице второго закона термодинамики). Исключение составляют некоторые случаи в астрономии, где трение не значительно, такие, как движение планет. Но даже и тогда эта обратимость имеет место только для ограниченного периода времени; процессы формирования планет были строго говоря необратимы.

Таким образом, что необходимо так это фундаментальное изменение точки зрения: состояние по умолчанию в физике не является обратимым во времени потоком событий, с не различимым настоящим, это текущее время – необратимый поток с резко отличающимися прошлым, настоящим и будущим.

Есть некоторые условия, при которых это хорошо аппроксимируется обратимым течением времени, где настоящее еще не особенно отличается от прошлого и будущего, но это не фундаментальные, не основные ситуации, возникающие в приближении и только иногда.

Физика должна быть оформлена с этой точки зрения на таких основаниях, а не опираясь на точку зрения, что в фундаментальной физике время обратимо. Основная проблема тогда не в том, почему в макроскопических ситуациях включая химию и биологию время необратимо, а в том почему именно в некоторых случаях время обратимо в физике с хорошим приближением. На микроуровне, при некоторых особых обстоятельствах, даже квантовые измерения оказываются обратимыми [16]; но это только в самых исключительных ситуациях. На макроуровне, крупная зернистость гарантирует, что то, что на самом деле происходит – необратимо [2]; в сложных системах, физическая структура которых определяет, что происходит и воплощает конкретную крупнозернистость, чем и обеспечивает поток времени, являющийся фундаментальной чертой жизни. Кроме того, следует отметить, что даже тогда, когда происходящие микро-процессы сами по себе обратимы во времени, реальное событие, которое случается происходит в одном временном направлении: электроны сталкиваются с позитронами и излучают фотоны в конкретном случае, например, вместо того, чтобы наоборот. Что же на самом деле скатывается в рулоны на однонаправленном пути, даже тогда, когда физика обратима во времени? Временная симметрия уравнений разбивается о физическую реальность.

Это понимание подрывает подходы к определению стрелы времени, основанные на сравнении далекого будущего с далеким прошлым [11], как в Уилера-Фейнмана [17] и Пенроуза [2] подходах; это означает, что пытаться такими способами определить стрелу времени просто неприемлемо. Вы не можете проинтегрировать по далекому будущему, если это будущее еще не существует, и его природа еще не определена. Невозможно (в данном контексте), разумно предложить ситуацию, когда будущее определяет ретроспективно настоящее или прошлое (например, [18]: «Мы исследуем идеи, что динамика инфляционной мультивселенной является закодированной в своих будущих границах, где она описывается низкоразмерной теорией»). Вместо того, чтобы стрела времени определялась здесь и сейчас через декогеренцию и необратимый во времени характер квантового процесса измерения, которые не находят отражения в уравнениях Шредингера, Дирака или Уилера-деВитта (и так игнорируются в анализе Барбура (Barbour [1])), и неизбежно приведет к прогрессу времени в биологии и в нашем сознании. Направление времени, в котором рост ЭБВ неумолимо имеет место, локально определенное через декогеренцию и эффективный коллапс волновой функции, приводя к классическому поведению [3, 5, 15] с хорошо определяемой стрелой времени.

Заключение

Представление, предложенное здесь, - то, что пространство-время распространяется на будущее, поскольку события развиваются вдоль каждой мировой линии путем, определенным комплексом причинных взаимодействий; они формируют будущее, включая самую структуру пространства-времени непосредственно, локально определяемым (поточечным) способом. Пространство-время – это Эволюционирующая Блок-Вселенная, которая продолжает эволюционировать вдоль каждой мировой линии, пока она не достигает своего конечного состояния, как неизменной Финальной Блок-Вселенной. Можно было бы сказать, что тогда время изменилось в вечность. Будущее сомнительно и неопределенно до тех пор пока локальные определения того, что происходит, имело место на пространственно-временном событии «здесь и теперь», определяя настоящее на мировой линии в определенный момент; после того это событие оказывается в прошлом, становится неподвижным и неизменным, и уже новое событие на мировой линии определяет настоящее. Нет никакого уникального способа сказать, как это происходит относительно различных наблюдателей; анализ эволюции удобно основывать на привилегированных (связанных с материей) мировых линиях вместо поверхностей времени. Однако, чтобы описать это в целом, будет удобно выбрать определенные поверхности времени для анализа, но они - выбор удобства, а не потребности.

Это может быть трудно осуществить в физической теории, но это - фактически способ, которым работают вещи; существующая теоретическая физика, понимающая это, но не представляет это соответствующим образом. Это, вероятно, глубоко вовлечено в проблемы квантового измерения и декогеренции,-необратимых во времени процессов, которые могут лежать в основе пути, которым идет дальше время. Потребность состоит в том, чтобы повторно посетить эти процессы путем, который относится к Эволюционирующей Блок-Вселенной. И существенно, чтобы это представление процесса времени должно быть встроено в основания любой квантовой теории гравитации, должным образом связанной с проблемой квантового измерения и непрерывного возникновения декогеренции. То, что эта точка зрения на блок-вселенную на стадии становления возможна в квантовых теориях гравитации, показано на примере спиновой пены [20].

Таким образом, основной элемент - то, как эта предложенная точка зрения связана с квантовой гравитацией. Но одинаково важно и то, как это связано с появлением сложности. С одной стороны это только возможно потому что начальное состояние нашей расширяющейся области вселенной было состоянием с низкой энтропией [2]; с другой стороны, это проявляет себя во взаимодействии между восходящими и нисходящими взаимодействиями, которые допускают истинную сложность, такую как жизнь, чтобы появиться [21] и испытать подавляющее господство течения времени в повседневной жизни. Способ, которым это происходит, остается плодотворной проблемой для исследования. Но одна вещь ясна: как весь дарвинистский процесс развития, посредством которого мы появляемся, так и процессы из-за которых мы читаем эту статью, зависят от потока времени. Вы не существовали бы и не имели бы способность прочить эту статью, если представление, предложенное здесь (и разъясненное более подробно в [6]), не было правильным описанием бытия вещей.

Кейп-Таун. 2008-12-01

Ссылки

  • [I] J Barbour (2001): The End of Time (New York: Oxford University Press).
  • [2] R Penrose (1989): The Emperor's New Mind (Oxford: Oxford University Press).
  • [3] C J Isham (1997): Lectures on Quantum Theory, Mathematical and Structural Foundations (London: Imperial College Press).
  • [4] K Hornberger (2008): "Introduction to decoherence theory". In: Entanglement and Decoherence. Foundations and Modern Trends, Lecture Notes in Physics (A. Buchleitner, C. Viviescas, and M. Tiersch (Eds.), Vol 768, 221-276 (2009) [arXiv:quant-ph/0612118v3].
  • [5] J B Hartle (2008): "The quasiclassical realms of this quantum universe", arXiv:0806.3776 .
  • [6] G F R Ellis (2006): "Physics in the Real Universe: Time and Spacetime". Gen. Rel. Grav. 38: 1797-1824 [Arxiv:gr-qc/0605049].
  • [7] C Guerlin et al. (2007): "Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting". Nature 448, 889-893 [arXiv:0707.3880].
  • [8] G Hinshaw (2006): "WMAP data put cosmic inflation to the test". Physics World 19, 16-19.
  • [9] S Dodelson (2003): Modern Cosmology (Academic Press, 2003).
  • [10] C D Broad (1923): Scientific Thought (New York: Harcourt, Brace and Co.).
  • [II] G F R Ellis and D W Sciama (1972): ``Global and non-global problems in cosmology". In General Relativity, ed. L. O'Raifeartaigh (Oxford: Oxford University Press), 35-59.
  • [12] P C W Davies (1974): The physics of time asymmetry (London: Surrey University Press); H D Zeh (1992): The Physical Basis of the Direction of Time (Berlin: Springer Verlag).
  • [13] R Arnowitt, S Deser and C W Misner (1962): "The Dynamics of General Relativity". In Gravitation: An introduction to Current Research, Ed L Witten (New York:Wiley), pp. 227-265. Reprinted as a Golden Oldie in Gen. Rel. Grav. 40: 1997-2027 (2008).
  • [14] S W Hawking and G F R Ellis (1973): The Large Scale structure of space time (Cambridge: Cambridge University Press).
  • [15] C Kiefer and D Polarski (2008): "Why do cosmological perturbations look classical to us?", arXiv:0810.0087v1.
  • [16] N. Katz et al. (2008): "Reversal of the Weak Measurement of a Quantum State in a Superconducting Phase Qubit". Phys Rev Let 101, 200401 [http://www.ee.ucr.edu/~korotkov/papers/PRL-101-200401-2008.pdf].
  • [17] J. A. Wheeler and R. P. Feynman (1945): "Interaction with the Absorber as the Mechanism of Radiation". Rev. Mod. Phys. 17, 157–181.
  • [18] J. Garriga and A. Vilenkin (2008): "Holographic Multiverse", arXiv:0809.4257v2.
  • [19] M Visser (2002): "The quantum physics of chronology protection". In The Future of Theoretical Physics and Cosmology: Celebrating Stephen Hawking's 60th Birthday, Ed. G. W. Gibbons, E. P. S. Shellard, S. J. Rankin [arXiv:gr-qc/0204022v2].
  • [20] A Perez (2006): "The spin-foam-representation of loop quantum gravity", arXiv:gr-qc/0601095.
  • [21] George F R Ellis (2008): "On the nature of causation in complex systems". Transactions of the Royal Society of South Africa 63: 69-84 [http://www.mth.uct.ac.za/~ellis/Top-down%20Ellis.pdf].
  • Джордж Ф. Р. Эллис

    перевод О. Кириллов

    18 Мая 2012, 4:58    Den    24351    0

    Нет комментариев.

    Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.