Этот вопрос занимал умы человечества целую вечность. С биологической точки зрения, все живые существа на Земле имеют внутренние часы, основанные на астрономических движениях Земли вокруг Солнца. Наше чувство времени основано в первую очередь на дневной и ночной фазах, и некоторые даже утверждают, что время – это иллюзия, созданная нашим мозгом, чтобы иметь возможность функционировать (или не допускать, чтобы все происходило одновременно).
Но объективное физическое время течет с разной скоростью. Мы не приспособлены к жизни в условиях астрономических размеров и скоростей, поэтому нам трудно понять, что время не является фиксированным понятием.
В этой статье рассмотрим, что такое время с точки зрения физики.
Время в общей теории относительности
В специальной теории относительности Эйнштейна время и пространство – это не отдельные сущности, а одно 4-мерное неразделимое пространство-время. Пространство-время – это ткань нашей Вселенной.
Что это значит? Это значит, что даже в пустом пространстве существует геометрия пространства-времени. В нашей Вселенной никогда не бывает «ничего», потому что пространство-время – это всегда «что-то».
В общей теории относительности пространство-время объединяется с энергией и материей (что также является двумя сторонами одной и той же концепции).
Материя изменяет геометрию 4-мерного пространства-времени, что часто иллюстрируется сеткой, изгибающейся вокруг сферы, такой как Солнце или черная дыра. Это не просто пространство, которое изгибается вокруг материи, это пространство-время, что означает, что время также течет по-разному (изгибается) вблизи материи – по крайней мере, если смотреть с точки зрения наблюдателя. Это то, что подразумевается под относительностью времени.
Вселенная Эйнштейна – это блочная вселенная, где в «сейчас» нет ничего особенного по сравнению с любым другим временем. Этот философский взгляд также называется этернализмом. Противоположным был бы презентизм, где существует только «сейчас», прошлое – всего лишь иллюзия воспоминаний, а будущее – неопределенное «сейчас», которое еще не наступило.
Следовательно, время как концепция в общей теории относительности реально, и оно является частью 4D-структуры объединенного пространства и времени.
Время в ОТО относительное в том смысле, что каждая точка в 4D пространстве-времени имеет свои собственные «часы», основанные на силе гравитационного поля (на которое, в свою очередь, влияет масса).
«Стрелы времени» не существует, потому что время не имеет никакого направления ни в одном из уравнений, описывающих структуру пространства-времени.
Время в квантовой механике
Мир в микроскопических размерах ведет себя иначе, чем мы ожидали. Это потому, что многие свойства, которые мы считаем само собой разумеющимися в нашем мире, являются свойствами, которые не существуют на субатомном уровне. Они возникают из статистических вероятностей, когда взаимодействует «достаточно большое» количество частиц.
Что мы можем сказать о времени на уровне частиц?
Уравнения Шредингера описывают, как квантовая система переходит из одного состояния в другое. В этих уравнениях время – это просто переменная, сообщающая нам разницу во времени от одного состояния к другому. Оно может быть подключено как положительное, так и отрицательное. Уравнения работают одинаково хорошо, независимо от того, идем ли мы вперед или назад во времени.
Получается, что для свободных частиц на квантовом уровне время – это просто переменная. Согласно квантовой механики, для свободных частиц нет направления или стрелки времени. Трудно что-либо сказать о метафизике времени на этом уровне, поскольку такие понятия, как прошлое, настоящее и будущее, также кажутся возникающими концепциями.
Время в термодинамике
Когда взаимодействует достаточно большое количество частиц, мы переходим от микроскопической системы к макроскопической. Свойства, которые не существуют на уровне частиц, появляются в результате взаимодействия между частицами.
Например, такое свойство, как температура, представляет собой среднее значение кинетической энергии, определяемое скоростями отдельных частиц. Тепло перетекает из одной системы в другую, и это односторонний процесс, поскольку тепло не может переходить от холодного к горячему. Это свойство необратимо во времени.
Энтропия – это уровень беспорядка в системе, когда есть много комбинаций, которые приведут к одному и тому же состоянию системы. Например, к яичнице-болтунье, где молекулы могут находиться в разных положениях и при этом давать один и тот же результат. Энтропия низкая, когда только несколько конкретных комбинаций будут определять состояние, например, целое яйцо.
Это связано со статистическими вероятностями, что все, что осталось в покое, перейдет в состояния, которые могут быть определены большим количеством комбинаций, что означает более высокий беспорядок или более высокую энтропию.
Однонаправленная стрела времени в нашем классическом представлении о мире обусловлена возникающими свойствами, такими как тепло и энтропия, которые являются односторонним процессом из-за статистической механики.
Итак, подводя итог, стрела времени, указывающая из прошлого в будущее, обусловлена крайне малой вероятностью того, что частицы сами по себе образуют определенную структуру.
Это относится к любой замкнутой системе. Жизнь – это пример того, что локально снижает энтропию, например, клетки нашего тела получают неупорядоченную энергию из белков и других питательных веществ в качестве входных данных и уменьшают энтропию, упорядочивая ее в различные типы конкретной информации, чтобы мы могли функционировать как живые существа. Но наши короткие жизни в конечном итоге приведут к общей более высокой энтропии.
Заключение
Несмотря на то, что теория относительности была прорывом Эйнштейна, он высоко ценил термодинамику:
«Термодинамика является единственной физической теорией универсального содержания, которая в рамках применимости ее основных концепций никогда не будет отменена»
Свойства, возникающие в макросистемах, – это не иллюзии, а реальные свойства в нашем классическом мире. Это результат синергии в природе.
Одномерная стрела времени может и не быть свойством фундаментальных элементов Вселенной, но она возникает со сложностью взаимодействий и статистических вероятностей.
Мы ощущаем время, когда ощущаем тепло, переходящее от горячих к холодным макроскопическим системам. Точно так же мы воспринимаем цвета, которые не существуют как свойство без интерпретации нашим мозгом длин волн света.
Является ли время объективным и фундаментальным понятием в физическом мире или это следствие интерпретации нашего мозга? Имеет ли временная составляющая пространства-времени направление? Время квантовано? В мире всегда больше вопросов, чем ответов.
