Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Temporal Mechanics 101: How Time Flies

Временная механика 101: как течёт время

Мы движемся сквозь время каждый день, и большинство из нас даже не задумывается о том, как это удивительно.

Учёные же, которые об этом задумались, постоянно сталкиваются с проблемами при выяснении, что же в точности означает время, так как время - это определённое абстрактное понятие.

Это нечто, с чем мы тесно знакомы, но знакомы настолько хорошо, что нам почти никогда не приходится осмысленно его анализировать.

С течением многих лет наше видение времени - как с индивидуальной, так и с научной точки зрения - разительно изменилось, от догадки о прохождении череды событий до фундаментального компонента математической геометрии, описывающей вселенную.

Стрела времени: билет в один конец

Физики ссылаются на одностороннее движение сквозь время (в будущее и никогда в прошлое), употребляя выражение "стрела времени" ("ось времени"), впервые использованное Артуром Эддингтоном (человеком, который помог утвердить общую теорию относительности) в 1928 г. в своей книге "Природа физического мира".

Первое замечание, сделанное им, говорило о том, что "стрела времени" показывает одно направление, в противоположность направлениям в пространстве, где при необходимости можно переориентироваться.

Далее он обращает внимание на три ключевых идеи временной оси:

• Человеческое сознание неотъемлемо распознаёт направление времени.

• Даже без памяти мир имеет смысл только в том случае, если ось времени направлена в будущее.

• В физике только один случай проявляет направление времени - это поведение большого числа частиц согласно второму закону термодинамики.

(См. ближайшую вставку "Асимметрии времени" для пояснения исключений из этого правила.)

Сознательное распознавание времени - это первое (и самое существенное) доказательство того, что любой из нас понимает направление, в котором мы перемещаемся во времени.

Наши разумы (вместе с остальными нашими частями) "движутся" последовательно в одном направлении сквозь время, и, определённо, не в обратном.

Нейронные пути формируются в нашем мозгу, хранящем записи о событиях.

Для нашего разума прошлое и будущее чётко различаются.

Прошлое статично и неизменно, но будущее полностью неопределённо (по крайней мере, насколько знает наш мозг).

Как указал Эддингтон, даже если вы ничего не помните, логика продиктует, что прошлое должно было случиться перед будущим.

Это, вероятно, правда, хотя сможет ли кто-либо составить представление о вселенной, в которой время течёт из будущего в прошлое - это вопрос, открытый для обсуждения.

Асимметрии времени

Третье замечание Артура Эддингтона о временной оси указывает, что физические законы фактически игнорируют направление времени, за исключением второго закона термодинамики.

Это значит, что если вы возьмёте время t в физическом уравнении и замените его на время -t, а затем произведёте вычисления, чтобы охарактеризовать происходящее, получится осмысленный результат.

Для гравитации, электромагнетизма и сильного ядерного взаимодействия изменение знака переменных времени (названное T-симметрией) позволяет законам физики отлично работать.

В некоторых особых случаях, относящихся к слабому ядерному взаимодействию, в действительности оказывается, что это не так.

Фактически есть более масштабный тип симметрии, названный СРТ-симметрией, которая всегда сохраняется.

С относится к симметрии зарядового сопряжения, означающей, что положительные и отрицательные заряды могут заменять друг друга.

Р отвечает за пространственную симметрию, которая подразумевает, по существу, замену частицы её полностью зеркальным отображением - частицей, перевёрнутой во всех трёх пространственных измерениях.

(Такая СРТ-симметрия - свойство квантовой теории в нашем четырёхмерном пространстве-времени, так что в настоящее время мы пренебрегаем остальными шестью измерениями, предложенными теорией струн.)

Оказывается, полная СРТ-симметрия, по всей видимости, сохраняется в природе.

(Это один из нескольких случаев ненарушенной симметрии в нашей вселенной.)

Другими словами, точное зеркальное отображение нашей вселенной - такой, где всё вещество заменено на антивещество, отражено во всех пространственных направлениях и движется назад во времени - будет подчиняться физическим законам, во всём идентичным действующим в нашей вселенной.

Если СР-симметрия нарушается, то должен быть соответствующий раскол и в Т-симметрии, так что суммарная СРТ-симметрия сохраняется.

Фактически, несколько процессов, нарушающих Т-симметрию, называют нарушениями СР-инвариантности (так как CP-нарушения легче проверить, чем нарушения симметрии по отношению к обращению времени.)

Наконец, мы всё же добрались до физического описания данного положения: до второго закона термодинамики.

Согласно этому закону, с течением времени ни в одной закрытой системе (то есть в такой, в которую не поступает энергия извне системы) энтропия (беспорядок) не может уменьшаться.

Другими словами, с ходом времени закрытая система не может стать более упорядоченной.

Интуитивно, это, несомненно, так.

Если взглянуть на дом, который был заброшен, то беспорядок в нём со временем будет расти.

Чтобы он стал более опрятным, должна быть привнесена работа извне системы.

Кто-то должен скосить траву во дворе, прочистить водосточные жёлоба, покрасить стены и т.д.

(Эта аналогия не совершенна, так как даже заброшенный дом получает энергию и воздействия извне - солнечный свет, животные, дожди и прочее - но идея понятна.)

В физике стрела времени - это направление, в котором энтропия (беспорядок) возрастает.

Это направление упадка.

Странно, что те же самые идеи (те же самые по духу, хотя и не научные) берут начало в "Исповедях" Августина Блаженного, написанных около 400 лет до н.э, где он сказал:

"Так что же такое время? Если никто меня о нем не спрашивает, то я знаю — что, но как объяснить вопрошающему — не знаю. Твердо же знаю я только одно: если бы ничего не проходило, не было бы прошедшего; если бы ничего не было, не было бы настоящего."

То, на что указывает здесь Августин - это неотъемлемая проблема объяснения скользкой природы времени.

Мы в точности знаем, что есть время - фактически, мы не способны не понимать, как оно течёт в наших собственных жизнях - но когда мы пытаемся определить его в точной терминологии, оно ускользает от нас.

Он говорит, что "если бы ничего не проходило, не было бы прошедшего", и это может, в некотором смысле, описывать то, как второй закон термодинамики определяет ось времени.

Мы знаем, что время проходит, так как вещи определённым образом меняются по мере того, как течёт время.

Относительность, мировые линии и мировые листы: движение сквозь пространство-время

Для понимания того, как работают перемещения во времени в теории струн, необходимо иметь полное представление о том, как в ней ведёт себя ткань пространства-времени.

Пока что теория струн это точно не выяснила.

В общей теории относительности движение объектов сквозь пространство-время описывается мировой линией.

В теории струн учёные говорят о струнах (и бранах), образующих целые мировые листы по мере того, как они движутся сквозь пространство-время.

Изначально мировые линии были придуманы Германом Минковским в процессе создания диаграмм Минковского, изображённых в главе 6.

Подобные диаграммы вновь появились в форме диаграмм Фейнмана (см. главу 8), которые наглядно показывают мировые линии частиц, взаимодействующих друг с другом посредством обмена калибровочными бозонами.

В теории струн вместо прямых мировых линий точечных частиц учёных интересует движение струн сквозь пространство-время, как показано на правой стороне рис. 16-1.

Заметьте, что на оригинальной диаграмме Фейнмана, изображённой на левой стороне рис. 16-1, присутствуют угловые точки, в которых пересекаются мировые линии (представляя собой точки, в которой происходит взаимодействие частиц).

На мировом листе виртуальная струна, переданная между двумя исходными струнами, создаёт гладкую кривую, на которой нет углов.

Это эквивалентно тому факту, что теория струн не содержит бесконечностей в описании данного взаимодействия, в противоположность чистой квантовой теории поля.

(Удаление бесконечностей в квантовой теории поля требует ренормализации.)

Рисунок 16-1: Во время движения в пространстве вместо мировой линии (слева) струна образует мировой лист (справа).

Одна из проблем, присутствующая как в квантовой теории поля, так и в теории струн, заключается в том, что они составлены таким образом, что оказываются размещёнными внутри координатной системы пространства-времени.

Общая теория относительности, с другой стороны, описывает вселенную, в которой пространство-время динамично.

Приверженцы теории струн надеются, что она разрешит этот конфликт между зависимой от фона квантовой теорией поля и независимой от него общей теорией относительности, так что в конечном счёте динамическое пространство-время будет выведено из теории струн.

Одно из критических замечаний к ней (как обсуждается в главе 17) заключается в том, что теория струн в настоящее время всё ещё фоно-зависимая.

Конкурентная теория, петлевая квантовая гравитация, включает пространство в теорию, однако всё же остаётся воздвигнутой на временных координатах в качестве исходных данных.

Петлевая квантовая гравитация раскрывается более подробно в главе 18.

Гипотеза защиты хронологии Хокинга: никуда вы не отправитесь

Идея путешествия во времени часто тесно связана с бесконечностями кривизны пространства-времени, такими, как те, что находятся внутри чёрных дыр.

На самом деле открытие математически возможных перемещений во времени было сделано на основе уравнений общей теории относительности, содержащих чрезмерную кривизну пространства-времени.

Стивен Хокинг, один из самых знаменитых экспертов в отношении кривизны пространства-времени, полагает, что путешествие во времени невозможно, и предлагает гипотезу защиты хронологии, говорящую о том, что должен существовать некий механизм, препятствующий путешествиям во времени.

Когда чёрные дыры впервые были предложены в качестве решения уравнений поля Эйнштейна, ни Эйнштейн, ни Эддингтон не верили, что они действительно существуют.

В речи к Королевскому астрономическому обществу Эддингтон высказался об устройстве чёрных дыр: "Я думаю, должен быть закон природы, не дающий звёздам вести себя таким нелепым образом!"

И хотя Хокинга идея чёрных дыр, несомненно, устраивает, он возражает против идеи путешествий во времени.

Он выдвинул свою гипотезу защиты хронологии, утверждающую, что во вселенной должно быть нечто, предотвращающее путешествия во времени.

Оксфордский физик Роджер Пенроуз, иногда работающий совместно с Хокингом, сделал намного более сдержанное заявление, известное как гипотеза космической цензуры и гласящее, что все сингулярности защищены горизонтом событий, который ограждает их от прямого взаимодействия с нашим обычным пространством-временем.

Потенциально это также помешает многим формам путешествий во времени стать доступными во вселенной в целом.

Одна из основных причин, почему путешествия во времени доставляют физике так много пробем (и поэтому и должны быть запрещены, по словам Эйнштейна и Хокинга), заключается в том, что таким образом можно было бы изобрести способ производства бесконечного количества энергии.

Скажем, у вас есть портал в прошлое и лазер, которым вы в него светите.

Вы устанавливаете зеркала так, что свет, выходящий из портала, отражается и попадает обратно в портал, вместе с первоначально отправленным вами лучом.

Теперь общая интенсивность света, выходящего из портала (в прошлом) стала бы (или была) в два раза больше интенсивности входящего света исходного лазера.

Этот лазерный луч посылается обратно в портал, давая на выходе в четыре раза больше света, чем было первоначально передано.

Этот процесс мог бы быть продолжен, предоставляя в результате буквально бесконечное количество энергии, созданное мгновенно.

Очевидно, что такая ситуация - всего лишь один из многих примеров, почему физики имеют склонность сомневаться в возможности путешествий во времени (с несколькими примечательными исключениями, о которых я рассказываю на протяжении этой главы).

Если бы путешествия во времени были возможны, то предсказательная сила физики оказалась бы потеряна, так как начальные условия не были бы больше надёжными!

Предсказания, основанные на таких условиях, стали бы, следовательно, полностью бессмысленными.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145438

Переводчики: ilves_ArtO