Историята на Вселената и стрелката на времето. Кредит за изображение: NASA / GSFC.

Откъде идва нашата стрелка на времето?

Миналото няма, бъдещето още не е тук, само настоящето е сега. Но защо винаги тече по начина, по който прави за нас?

„Така е написан нашият договор; по този начин се постига съгласие. Мисълта е стрелата на времето; паметта никога не избледнява. Това, което беше поискано, е дадено; цената се плаща. "
-Робърт Джордан

Всеки миг, който минава, ни намира да пътуваме от миналото към настоящето и в бъдещето, като времето винаги тече в една и съща посока. В нито един момент не изглежда да стои неподвижно или назад; „стрелката на времето“ винаги сочи напред за нас. Но ако разгледаме законите на физиката - от Нютон до Айнщайн, от Максуел до Бор, от Дирак до Фейнман - те изглеждат симетрични във времето. С други думи, уравненията, които управляват реалността, нямат предпочитание по кой начин тече времето. Решенията, които описват поведението на всяка система, подчиняваща се на законите на физиката, както ние ги разбираме, са също толкова валидни за времето, което тече в миналото, колкото и за времето, което тече в бъдещето. Но от опит знаем, че времето протича само по един начин: напред. И така, откъде идва стрелката на времето?

Топка в средата на скача има своите минали и бъдещи траектории, определени от законите на физиката, но времето ще тече само в бъдещето за нас. Кредит за изображения: Wikimedia предлага потребители на MichaelMaggs и (редактиран от) Richard Bartz, под лиценз c.c.a.-s.a.-3.0.

Много хора вярват, че може да има връзка между стрелката на времето и количество, наречено ентропия. Докато повечето хора обикновено приравняват „разстройството“ с ентропията, това е доста мързеливо описание, което също не е особено точно. Вместо това помислете за ентропията като мярка за това колко топлинна (топлинна) енергия би могла да се превърне в полезна, механична работа. Ако имате много от тази енергия, която може потенциално да върши работа, имате система с ниска ентропия, докато ако имате много малко, имате система с висока ентропия. Вторият закон на термодинамиката е много важно отношение във физиката и той гласи, че ентропията на затворена (самостоятелна) система може само да се увеличи или да остане същата с течение на времето; тя никога не може да слезе. С други думи, с течение на времето ентропията на цялата Вселена трябва да се увеличи. Това е единственият закон на физиката, който изглежда има предпочитана посока за времето.

Още от лекция за ентропията на Клариса Соренсен-Унрух. Кредитна снимка: C. Sorensen-Unruh от YouTube, чрез https://www.youtube.com/watch?v=Mz8IM7pWkok.

Значи, това означава ли, че преживяваме времето само по начина, по който го правим поради втория закон на термодинамиката? Има ли дълбока връзка между стрелката на времето и ентропията? Някои физици смятат така и това със сигурност е възможно. В интересна колаборация между канала на MinutePhysics YouTube и физик Шон Карол, автор на „Голямата картина“, от вечността до тук и стрелката на ентропията / времето, те се опитват да отговорят на въпроса защо времето не се връща назад. Неучудващо те насочват пръста на ентропия.

Вярно е, че ентропията обяснява стрелката на времето за редица явления, включително защо кафето и млякото се смесват, но не се смесват, защо ледът се топи в топла напитка, но никога не възниква спонтанно заедно с топла напитка от хладна напитка и защо едно готвено бъркано яйце никога не се разтваря обратно в необработен, отделен белтък и жълтък. Във всички тези случаи първоначално състояние с по-ниска ентропия (с повече налична, работоспособна енергия) премина в състояние с по-висока ентропия (и по-ниска налична енергия) с течение на времето напред. Има много примери за това в природата, включително за стая, пълна с молекули: едната страна, пълна със студени, бавно движещи се молекули, а другата пълна с горещи, бързо движещи се. Просто му отделете време и помещението ще бъде напълно смесено с частици с междинна енергия, което представлява голямо увеличение на ентропията и необратима реакция.

Система, създадена в първоначалните условия вляво и оставена да се развива, ще стане системата отдясно спонтанно, придобивайки ентропия в процеса. Кредит за изображения: потребители на Wikimedia Commons Htkym и Dhollm, под лиценз c.c.-по-2.5.

Освен, че не е необратимо напълно. Виждате ли, има предупреждение, което повечето хора забравят, когато става въпрос за втория закон на термодинамиката и увеличаването на ентропията: той се отнася само до ентропията на затворена система или система, при която не се добавя или отнема външна енергия или промени в ентропията. , Начин за обрат на тази реакция е измислен за първи път от великия физик Джеймс Клерк Максуел още през 1870-те: просто имайте външно образувание, което отваря пропаст между двете страни на стаята, когато позволява на „студените“ молекули да текат към от едната страна и „горещите“ молекули да се вливат в другата. Тази идея стана известна като демонът на Максуел и ви дава възможност в крайна сметка да намалите ентропията на системата!

Представяне на демона на Максуел, който може да сортира частиците според енергията си от двете страни на кутията. Кредитно изображение: потребител на Wikimedia Commons Htkym, с лиценз c.c.a.-s.a.-3.0.

Всъщност не можете да нарушите втория закон на термодинамиката, правейки това, разбира се. Уловката е, че демонът трябва да изразходва огромно количество енергия, за да отдели частиците по този начин. Системата, под влиянието на демона, е отворена система; ако включите ентропията на самия демон в общата система от частици, ще откриете, че общата ентропия всъщност се увеличава като цяло. Но ето ви ритникът: дори и да сте живели в кутията и да не сте успели да откриете съществуването на демона - с други думи, ако всичко, което правехте, беше да живеете в джоб на Вселената, който видя, че ентропията й намалява - времето все още ще продължи напред ти. Термодинамичната стрелка на времето не определя посоката, в която възприемаме преминаването на времето.

Колкото и да променяме ентропията на Вселената около нас, времето продължава да минава за всички наблюдатели със скорост една секунда в секунда. Изображение в публичен домейн

И така, откъде идва стрелката на времето, която корелира с нашето възприятие? Не знаем Това, което знаем обаче, е, че термодинамичната стрелка на времето не е това. Нашите измервания на ентропията във Вселената знаят само едно възможно огромно понижение в цялата космическа история: края на космическата инфлация и нейния преход към горещия Голям взрив. Знаем, че нашата Вселена е насочена към студена, празна съдба, след като всички звезди изгорят, след като всички черни дупки се разпадат, след като тъмната енергия задвижва несвързаните галактики една от друга и гравитационните взаимодействия изгонват последните останали свързани планетни и звездни останки , Това термодинамично състояние на максимална ентропия е известно като "топлинна смърт" на Вселената. Колкото и да е странно, състоянието, от което е възникнала нашата Вселена - състоянието на космическа инфлация - има абсолютно същите свойства, само с много по-голям темп на разширяване през инфлационната епоха, отколкото ще доведе до сегашната ни епоха, доминирана от тъмна енергия.

Квантовата природа на инфлацията означава, че тя завършва в някои „джобове“ на Вселената и продължава в други, но ние все още не разбираме нито какво е количеството на ентропията по време на инфлацията, нито как е довело до ниско ентропийното състояние при начало на горещия Голям взрив. Кредитна снимка: Е. Сийгъл от книгата Отвъд галактиката.

Как се стигна до инфлацията? Как вакуумната енергия на Вселената, енергията, присъща на самото празно пространство, се преобразува в термично гореща баня от частици, античастици и радиация? И дали Вселената премина от невероятно високо ентропийно състояние по време на космическа инфлация до по-ниско-ентропийна по време на горещия Голям взрив, или ентропията по време на инфлация беше още по-ниска поради евентуалния капацитет на Вселената да извършва механична работа? Към този момент имаме само теории, които да ни ръководят; експерименталните или наблюдателни подписи, които биха ни подсказали отговорите на тези въпроси, не са разкрити.

От края на инфлацията и началото на горещия Голям взрив ентропията винаги нараства през днешния ден. Кредит за изображения: Е. Сийгъл, с изображения, получени от ESA / Planck и междуведомствената работна група DoE / NASA / NSF за изследвания на CMB. От книгата му „Отвъд галактиката“.

Ние разбираме стрелката на времето от термодинамична перспектива и това е невероятно ценно и интересно знание. Но ако искате да знаете защо вчера е в неизменното минало, утре ще дойде ден и настоящето е това, което живеете в момента, термодинамиката няма да ви даде отговор. Всъщност никой не разбира какво ще направи.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и ви се предоставя без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!