Zagadka czasu
Czas zawsze był problemem. Po pierwsze, nawet wybitnym umysłom trudno było zrozumieć, czym tak naprawdę jest czas. Dziś, gdy wydaje nam się, że w pewnym stopniu to rozumiemy, wielu uważa, że bez tego, przynajmniej w tradycyjnym sensie, będzie wygodniej.
„” Napisane przez Izaaka Newtona. Wierzył, że czas można naprawdę zrozumieć jedynie matematycznie. Dla niego jednowymiarowy czas absolutny i trójwymiarowa geometria Wszechświata były niezależnymi i odrębnymi aspektami obiektywnej rzeczywistości i w każdym momencie czasu absolutnego wszystkie zdarzenia we Wszechświecie zachodziły jednocześnie.
Dzięki swojej szczególnej teorii względności Einstein wyeliminował koncepcję czasu jednoczesnego. Według jego koncepcji jednoczesność nie jest absolutną relacją między zdarzeniami: to, co jest równoczesne w jednym układzie odniesienia, niekoniecznie będzie jednoczesne w innym.
Przykładem rozumienia czasu przez Einsteina jest mion powstały w wyniku promieni kosmicznych. Jest to niestabilna cząstka subatomowa, której średni czas życia wynosi 2,2 mikrosekundy. Tworzy się w górnych warstwach atmosfery i choć spodziewamy się, że zanim ulegnie rozpadowi, przebędzie zaledwie 660 metrów (z prędkością światła 300 000 km/s), efekty dylatacji czasu pozwalają kosmicznym mionom na przebycie ponad 100 kilometrów do powierzchni Ziemi. i dalej. . W ziemskim układzie odniesienia miony żyją dłużej ze względu na dużą prędkość.
W 1907 roku były nauczyciel Einsteina Hermann Minkowski przedstawił przestrzeń i czas jako. Czasoprzestrzeń zachowuje się jak scena, w której cząsteczki poruszają się we wszechświecie względem siebie. Jednak ta wersja czasoprzestrzeni była niekompletna (Zobacz też: ). Nie obejmowało to grawitacji, dopóki Einstein nie wprowadził ogólnej teorii względności w 1916 roku. Tkanina czasoprzestrzeni jest ciągła, gładka, zakrzywiona i zdeformowana przez obecność materii i energii (2). Grawitacja to krzywizna wszechświata spowodowana przez masywne ciała i inne formy energii, która określa ścieżkę, po której poruszają się obiekty. Ta krzywizna jest dynamiczna i porusza się wraz z ruchem obiektów. Jak mówi fizyk John Wheeler: „czasoprzestrzeń zatrzymuje masę, mówiąc jej, jak się poruszać, a masa zatrzymuje czasoprzestrzeń, mówiąc jej, jak się zakrzywiać”.
2. Czasoprzestrzeń Einsteina
Czas i świat kwantowy
Ogólna teoria względności uważa upływ czasu za ciągły i względny, a upływ czasu uważa za uniwersalny i absolutny w wybranym odcinku. W latach 60. udana próba połączenia wcześniej niekompatybilnych idei, mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności doprowadziła do tak zwanego równania Wheelera-DeWitta, będącego krokiem w kierunku teorii grawitacja kwantowa. To równanie rozwiązało jeden problem, ale stworzyło inny. Czas nie odgrywa w tym równaniu żadnej roli. Doprowadziło to do dużych kontrowersji wśród fizyków, które nazywają problemem czasu.
Carlo Rovelli (3) współczesny włoski fizyk teoretyczny ma w tej sprawie zdecydowane zdanie. „” – napisał w książce „Tajemnica czasu”.
3. Carlo Rovelli i jego książka
Zwolennicy kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej uważają, że procesy kwantowe podlegają równaniu Schrödingera, które jest symetryczne w czasie i wynika z załamania falowego funkcji. W kwantowo-mechanicznej wersji entropii, gdy entropia się zmienia, nie przepływa ciepło, ale informacja. Niektórzy fizycy kwantowi twierdzą, że odkryli oryginalne źródło strzałki czasu. Mówią, że energia rozprasza się, a obiekty wyrównują się, ponieważ cząstki subatomowe są ze sobą powiązane w wyniku interakcji w postaci „splątania kwantowego”. Einstein wraz ze swoimi kolegami Podolskim i Rosenem uważali takie zachowanie za niemożliwe, ponieważ było sprzeczne z lokalnym realistycznym poglądem na przyczynę i skutek. Zastanawiali się, w jaki sposób cząstki znajdujące się daleko od siebie mogą natychmiast oddziaływać ze sobą.
W 1964 roku opracował eksperymentalny test, który obalił twierdzenia Einsteina o tak zwanych zmiennych ukrytych. W związku z tym powszechnie uważa się, że informacja faktycznie przemieszcza się pomiędzy splątanymi cząsteczkami, potencjalnie szybciej niż może podróżować światło. O ile nam wiadomo, czas nie istnieje splątane cząstki (4).
Zespół fizyków z Uniwersytetu Hebrajskiego pod kierownictwem Eli Megidisha w Jerozolimie poinformował w 2013 roku, że udało mu się splątać fotony, które nie współistniały w czasie. Najpierw w pierwszym etapie utworzyli splątaną parę fotonów 1-2. Niedługo potem zmierzyli polaryzację fotonu 1 (właściwość opisującą kierunek oscylacji światła) – „zabijając” go w ten sposób (etap II). Foton 2 został wysłany w swoją podróż i utworzyła się nowa splątana para 3-4 (etap III). Następnie zmierzono foton 3 wraz z przemieszczającym się fotonem 2 w taki sposób, że współczynnik splątania „zmienił się” ze starych par (1-2 i 3-4) na nowy połączony 2-3 (etap IV). Jakiś czas później (etap V) mierzona jest polaryzacja jedynego pozostałego przy życiu fotonu 4 i wyniki porównywane są z polaryzacją dawno martwego fotonu 1 (w fazie II). Wynik? Dane ujawniły korelacje kwantowe między fotonami 1 i 4, które były „tymczasowo nielokalne”. Oznacza to, że splątanie może powstać w dwóch układach kwantowych, które nigdy nie współistniały w czasie.
Megidish i jego współpracownicy nie mogą powstrzymać się od spekulacji na temat możliwych interpretacji ich wyników. Być może pomiar polaryzacji fotonu 1 w kroku II w jakiś sposób kieruje przyszłą polaryzacją fotonu 4 lub pomiar polaryzacji fotonu 4 w kroku V w jakiś sposób przepisuje poprzedni stan polaryzacji fotonu 1. Zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu, korelacje kwantowe rozprzestrzeniają się do pustki przyczynowej pomiędzy śmiercią jednego fotonu a narodzinami drugiego.
Co to może oznaczać w skali makro? Naukowcy omawiający możliwe implikacje podnoszą możliwość, że nasze obserwacje światła gwiazd w jakiś sposób podyktowały polaryzację fotonów 9 miliardów lat temu.
Para amerykańskich i kanadyjskich fizyków, Matthew S. Leifer z Chapman University w Kalifornii i Matthew F. Pusey z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario, zaobserwowali kilka lat temu, że jeśli nie będziemy trzymać się faktu, że Einstein. Pomiary dokonane na cząstce mogą mieć odzwierciedlenie w przeszłości i przyszłości, co w tej sytuacji staje się nieistotne. Przeformułowując niektóre podstawowe założenia, naukowcy opracowali model oparty na twierdzeniu Bella, w którym przestrzeń przekształca się w czas. Z ich obliczeń wynika, dlaczego zakładając, że czas zawsze jest przed nami, natrafiamy na sprzeczności.
Według Carla Rovellego nasze ludzkie postrzeganie czasu jest nierozerwalnie związane ze sposobem, w jaki zachowuje się energia cieplna. Dlaczego znamy tylko przeszłość, a nie przyszłość? Kluczem, jak sugeruje naukowiec, jednokierunkowy przepływ ciepła z obiektów cieplejszych do chłodniejszych. Kostka lodu wrzucona do filiżanki gorącej kawy chłodzi kawę. Ale proces ten jest nieodwracalny. Człowiek niczym swego rodzaju „maszyna termodynamiczna” podąża za tą strzałką czasu i nie jest w stanie zrozumieć żadnego innego kierunku. „Ale jeśli zaobserwuję stan mikroskopowy” – pisze Rovelli – „różnica między przeszłością a przyszłością znika… w elementarnej gramatyce rzeczy nie ma różnicy między przyczyną a skutkiem”.
Czas mierzony w ułamkach kwantowych
A może czas można skwantować? Niedawno pojawiła się nowa teoria, która sugeruje, że najmniejszy możliwy odstęp czasu nie może przekraczać jednej milionowej miliardowej miliardowej części sekundy. Teoria opiera się na koncepcji, która jest przynajmniej podstawową właściwością zegarka. Według teoretyków implikacje tego rozumowania mogą pomóc w stworzeniu „teorii wszystkiego”.
Koncepcja czasu kwantowego nie jest nowa. Model grawitacji kwantowej proponuje, aby czas był skwantowany i miał określoną prędkość tykania. Ten cykl tykania jest uniwersalną jednostką minimalną i żaden wymiar czasu nie może być mniejszy od tego. To tak, jakby u podstawy Wszechświata istniało pole, które określa minimalną prędkość wszystkiego, co się w nim znajduje, nadając masę innym cząstkom. W przypadku tego uniwersalnego zegara „zamiast dawać masę, da czas” – wyjaśnia jeden z fizyków, który proponuje kwantowanie czasu, Martin Boyowald.
Symulując taki uniwersalny zegar, on i jego koledzy z Pennsylvania State College w USA wykazali, że będzie to miało konsekwencje dla sztucznych zegarów atomowych, które wykorzystują wibracje atomów do uzyskiwania najdokładniejszych znanych wyników. pomiary czasu. Zgodnie z tym modelem tempo zegarów atomowych (5) czasami nie było zsynchronizowane z rytmem zegara uniwersalnego. Ograniczałoby to dokładność pomiaru czasu do samego zegara atomowego, co oznaczałoby, że dwa różne zegary atomowe mogłyby nie dopasowywać się pod względem długości upływającego okresu. Biorąc pod uwagę, że nasze najlepsze zegary atomowe są ze sobą spójne i mogą mierzyć takty do 10-19 sekund, czyli jednej dziesiątej miliardowej miliardowej sekundy, podstawowa jednostka czasu nie może być większa niż 10-33 sekundy . Takie wnioski płyną z artykułu na temat tej teorii, który ukazał się w czerwcu 2020 roku w czasopiśmie Physical Review Letters.
5. Zegar atomowy oparty na lutecie na Uniwersytecie Narodowym w Singapurze.
Sprawdzenie, czy istnieje taka podstawowa jednostka czasu, przekracza nasze obecne możliwości technologiczne, ale nadal wydaje się bardziej dostępne niż pomiar czasu Plancka, który wynosi 5,4 × 10–44 sekundy.
Efekt motyla nie działa!
Usunięcie czasu ze świata kwantowego lub jego kwantyzacja może mieć ciekawe konsekwencje, ale bądźmy szczerzy, powszechną wyobraźnię napędza coś innego, a mianowicie podróże w czasie.
Około rok temu profesor fizyki na Uniwersytecie Connecticut Ronald Mallett powiedział CNN, że napisał równanie naukowe, które można wykorzystać jako podstawę maszyna czasu rzeczywistego. Zbudował nawet urządzenie ilustrujące kluczowy element teorii. Uważa, że teoretycznie jest to możliwe zamieniając czas w pętlęco umożliwiłoby podróż w czasie do przeszłości. Zbudował nawet prototyp pokazujący, jak lasery mogą pomóc w osiągnięciu tego celu. Należy zauważyć, że koledzy Malletta nie są pewni, czy jego wehikuł czasu kiedykolwiek się zmaterializuje. Nawet Mallett przyznaje, że jego pomysł jest w tym momencie całkowicie teoretyczny.
Pod koniec 2019 roku magazyn New Scientist podał, że fizycy Barak Shoshani i Jacob Hauser z Perimeter Institute w Kanadzie opisali rozwiązanie, w ramach którego człowiek teoretycznie mógłby podróżować z jednego miejsca na drugie. Kanał wiadomości do drugiego, mijając przez dziurę w czasoprzestrzeń lub tunel, jak mówią, „matematycznie możliwy”. Model ten zakłada, że istnieją różne równoległe wszechświaty, po których możemy podróżować, i ma poważną wadę - podróże w czasie nie wpływają na własną oś czasu podróżujących. Możesz więc wpływać na inne kontinua, ale to, od którego rozpoczęliśmy podróż, pozostaje takie samo.
A skoro jesteśmy w kontinuach czasoprzestrzennych, to z pomocą komputer kwantowy Aby symulować podróże w czasie, naukowcy niedawno udowodnili, że w sferze kwantowej nie ma „efektu motyla”, co widać w wielu filmach i książkach science fiction. W eksperymentach na poziomie kwantowym, uszkodzona, pozornie prawie niezmieniona, jakby rzeczywistość sama się leczyła. Artykuł na ten temat ukazał się tego lata w „Psysical Review Letters”. „Na komputerze kwantowym nie ma problemów ani z symulacją przeciwnej ewolucji w czasie, ani z symulacją procesu cofania tego procesu w przeszłość” – wyjaśnia Mikolay Sinitsyn, fizyk teoretyczny z Los Alamos National Laboratory i współ- autor badania. Praca. „Naprawdę możemy zobaczyć, co stanie się ze złożonym światem kwantowym, jeśli cofniemy się w czasie, dodamy trochę szkód i cofniemy się. Odkrywamy, że nasz pierwotny świat przetrwał, co oznacza, że w mechanice kwantowej nie ma efektu motyla”.
To dla nas duży cios, ale być może i dobra wiadomość. Kontinuum czasoprzestrzenne zachowuje swoją integralność, zapobiegając zniszczeniu go przez drobne zmiany. Dlaczego? To ciekawe pytanie, ale temat nieco inny niż sam czas.
