(Почти) обратимая стрела времени может привести нас к темной материи. Почему его не вернешь? Что такое стрела времени

Стрела времени- метафорическое обозначение направления времени. Это концепция, описывающая время как прямую (т. Е. математически одномерный объект) , протянутую из прошлого в будущее. Из любых двух несовпадающих точек оси времени одна всегда является будущим относительно другой.

«Стрела времени» позволяет нам отличать прошлое от будущего. «Стрела времени» как понятие фиксирует необратимость времени.

Наука выделяет три вида «стрела времени»: термодинамическую, психологическую и космологическую. Все эти виды взаимосвязаны между собой. Термодинамическая стрела времени «указывает» направление времени в макромире. Психологическая стрела представляет собой частный случай временной стрелы в термодинамике; она фиксирует необратимость процессов, идущих в головном мозге и организмах живых существ: мы помним прошлое, но не будущее. Космологическая стрела времени – глобальная интерпретация стрелы термодинамической. Она показывает, что Вселенная расширяется, а не сжимается.

Для осуществления разумной жизни и управления необходима термодинамическая и психологическая стрела времени как необратимого и направленного на расширение космического процесса. Поэтому управление представляет собой социальный феномен, возникший в ходе развития общества в масштабах макромира; в масштабах термодинамической и психологической стрелы времени, как можем мы сказать в настоящее время. Управление, анализируя прошлые результаты труда, прогнозирует будущие его результаты, получаемые в процессе совместной человеческой деятельности.
Стрела времени позволяет предвидеть, прогнозировать управленческий результат, то есть видеть его раньше, чем он наступил в реальности, и потому более уверенно двигаться к достижению намеченного успеха.

6.Могут ли стрелы времени иметь разное направление,обоснуйте. Мы знаем, что время- это совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений) , их последовательность и длительность.

Время позволяет различать «раньше» и «позже» ,прошлое и будущее.Как количественная величина, время есть число движения, причем число, которым выражается время, может только увеличиваться. В этом заключается основное свойство времени-однонаправленность.

Стрела времени – строгий научный термин, введённый знаменитым английским астрономом и физиком Артуром Стэнли Эддингтоном в 30-х годах нашего века для характеристики такого общеизвестного свойства времени, как его однозначная направленность из Прошлого в Будущее. Стрела – это образ однонаправленного движения.

Однонаправленность времени - это логическая последовательность сменяющих друг друга явлений, событий и т. д. Из данного свойства времени можно сделать вывод о том, что возникновению следствия всегда предшествует формирование причины. Наоборот, быть НИКОГДА не может: нельзя сначала испечь хлеб, а затем помолоть муку, для того чтобы испечь именно данную буханку хлеба.

психологическая стрела времени - задается в нашем мозгу термодинамической стрелой времени.

Почему термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково? Или, другими словами, почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Ответ - условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития.Для существования разумной жизни необходима сильная термодинамическая стрела. Чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково. Из-за отсутствия границ растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.

Итак , Законы науки не делают различия между направлением «вперед» и «назад» во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т. е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела – то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела – направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется.Психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения. Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени.

Стрела времени существует, т к вселенная расширяется. Если в будущем она будет сжиматься, то и изменится направление стрел времени.На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлен, так что люд умирали бы до своего рождения и по мере сжатия становились бы все моложе и моложе.

Последовательность: прошлое-настоящее-будущее.Они необратимы в силу действия принципов логического отображения, а содержательно- в силу действия закона возрастания энтропии, самой схемы линейной причинности и закона генетического порождения одного другим – в виде стрелы времени.

«Чудо противоречит не законам природы, а лишь нашим представлениям о законах природы…»

Аврелий Августин

Впервые выражение «стрела времени» было введено в 1928 г. Эддингтоном в его книге «Природа физического мира». В своей книге Эддингтон прозорливо предсказал конец господства в физике «первичных» (детерминистических) законов и наступление эры «вторичных» (статистических) законов, описывающих необратимые процессы. В том виде, как оно входит в фундаментальные законы физики от классической динамики до теории относительности и квантовой физики, время не содержит в себе различия между прошлым и будущим!

Стрела времени или временная ось -- концепция, описывающая время как прямую (то есть математически одномерный объект), протянутую из прошлого в будущее (или из будущего в прошлое, в контексте философии). Из любых двух отличных точек оси времени одна всегда является будущим относительно другой.

Классическая физика представляет пространство-время как прямое произведение одномерного времени на трёхмерное пространство. Преобразования Галилея всегда сохраняют временную координату. Таким образом, ось времени является прямой, а точки её параметризуются одной временной координатой.

В теории относительности существует лишь частичное упорядочение точек пространства-времени по времени. Относительно двух событий мы не всегда можем сказать, которое лежит в прошлом, а которое в будущем, так что оси времени в привычном смысле нет. События относительно данного делятся на будущие -- на которые можно повлиять, прошлые -- которые на него влияют, и неопределённые -- ни то, ни другое.

В последние десятилетия родилась новая наука -- физика неравновесных процессов, оперирующая такими понятиями, как самоорганизация и диссипативные структуры. До этого стрела времени вошла в физику через такие простые процессы, как диффузия или вязкость, которые, в свою очередь, можно понять, исходя из обратимой во времени динамики. Ныне ситуация иная. Мы знаем, что необратимость приводит ко множеству новых явлений, таких как образование вихрей, колебательные химические реакции или лазерное излучение. Необратимость играет существенную конструктивную роль. Невозможно представить себе жизнь в мире, лишенном взаимосвязей, создаваемых необратимыми процессами. Следовательно, утверждать, будто стрела времени -- «всего лишь феноменология» и обусловлена особенностями нашего описания природы, с научной точки зрения абсурдно. Мы дети стрелы времени, эволюции, но отнюдь не ее создатели.

Парадокс времени ставит перед нами проблему центральной роли «законов природы». Отождествление науки с поиском «законов природы», по-видимому, является самой оригинальной концепцией западной науки. Прототипом универсального закона природы служит закон Ньютона, который кратко можно сформулировать так: ускорение пропорционально силе. Этот закон имеет две фундаментальные особенности. Он детерминистичен, и он обратим во времени.

Понятие «закон природы» заслуживает более подробного анализа. Мы настолько привыкли к нему, что оно воспринимается как нечто само собой разумеющееся. А в отличных взглядах на мир такая концепция «закона природы» отсутствует. По Аристотелю, живые существа не подчиняются никаким законам. Их деятельность обусловлена их собственными автономными внутренними причинами. В Китае господствовало мнение о спонтанной гармонии космоса, своего рода статическом равновесии, связывающем воедино природу, общество и небеса. Немаловажное значение сыграли христианские представления о Боге как о всемогущем Вседержителе, устанавливающем законы для всего сущего.

Подобные теологические воззрения, казалось, полностью подкреплялись открытием динамических законов движения. Теология и наука достигли согласия. Таким образом, открытие неизменяющихся детерминистических законов сближало человеческое знание с божественной, вневременной точкой зрения.

Сложилось устойчивое мнение, что об однонаправленности времени свидетельствуют фундаментальные физические процессы, протекающие в одном направлении. Они якобы и определяют соответствующие стрелы времени. Наиболее часто выделяют три стрелы: термодинамическую, космологическую и волновую. На самом же деле никакой однонаправленный процесс не может определить ход, течение и направленность времени; необходимо четко отделять направленность времени от направленности процессов.

Термодинамическую стрелу связывают со вторым началом термодинамики, которое утверждает, что любая изолированная система всегда стремится к состоянию термодинамического равновесия, в ходе которого энтропия возрастает. Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Отсюда возникает идея, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления с возрастанием энтропии. Но само второе начало термодинамики является статистическим законом, т.е. требуемое им возрастание энтропии происходит только в среднем, только если не обращать внимания на флуктуации. При точном описании в данной локальной области и на данном отрезке времени энтропия может и уменьшаться, - это отражает конкретные процессы, происходящие в данной системе. Эти процессы (которые и проявляются как флуктуации), как правило, управляются фундаментальными динамическими законами физики, которые инвариантны относительно изменения знака времени, т.е. не могут указывать никакого направления времени. Явления жизни или ставшие ныне модными явления самоорганизации происходят в локальных областях пространства и на ограниченном отрезке времени также с уменьшением энтропии. Таким образом, глобальный второй закон термодинамики никак не определяет течения локальных процессов: мнимая термодинамическая стрела времени никак не ощущается ими.

Поучительно рассмотреть гипотезу Л. Больцмана о возможности таких эпох (“эонов”) в развитии Вселенной, когда энтропия на протяжении больших интервалов времени (космических масштабов) в среднем уменьшается, а не увеличивается, как в нашем теперешнем эоне. В таких эонах термодинамическая стрела времени должна быть направлена в противоположную сторону по сравнению с направлением стрелы в нашем эоне. Однако для того чтобы представление о двух разнонаправленных стрелах времени имело смысл, необходимо ввести некое “сверхвремя”, в котором протекают времена в разных эонах . Это и делает Рейхенбах. Он пишет: «Сверхвремя не имеет направления, но только порядок, однако оно содержит индивидуальные участки, которые обладают направлением, хотя эти направления и изменяются от участка к участку» . По нашему мнению, это “сверхвремя” и есть истинное время, время как универсальная форма движения. Оно действительно не имеет направления (см. ниже). Направление же “стрел времени” на индивидуальных участках отражает направление течения определенных процессов, а вовсе не направление времени.

Артуром Эддингтоном было введено некое понятие "стрел времени". Это понятие - весьма иллюзорно, однако оно как нельзя лучше определяет ту разницу между временем, как физической величиной и нашим её восприятием.

Прежде, чем говорить об этом, следует понимать, что время - это универсальная величина, которой подчинено всё в нашей галактике. Мы даже измеряем время используя приборы или явления, которые основаны на этом же самом эффекте, будь то обычные механические часы или какой-нибудь хитроумный атомный хронометр, использующий квантовый дискриминатор и цезний-133.

Время, это состояние материи, некая невидимая капсула, в которую заключена вся наша вселенная. Находясь внутри этой капсулы сложно судить о её природе, однако можно строить разные теории или, по крайней мере, предположения о возможной природе этого явления.

Мы привыкли воспринимать время, как некую психологическую стрелу , то есть, как нашу собственную память о том, что происходило в нашем прошлом. Это именно стрела, по скольку она имеет ясно обозначенное направление: мы помним только прошлое, но не способны его изменить, и не помним своё будущее, хотя способны на него повлиять.

Эта стрела, по-видимому, является уникальной для каждого из нас, так как она основывается на нашем и только нашем восприятии информации. Однако, вместе с тем, допустимо говорить о некой общей психологической стреле времени, так как мы живём в общей вселенной и наше прошлое так же является общим.

По мимо этой стрелы, имеется и более определённая термодинамическая стрела времени, которая указывает направления возрастания энтропии во вселенной. Энтропия, как известно, возрастает всегда, по этому в настоящий момент направление психологической и термодинамической стрел совпадают.

Различают так же космологическую стрелу времени, то есть направление расширения вселенной. Она так же совпадает с психологической и термодинамической стрелами, однако, если теория о Большом Сжатии Вселенной окажется верна, эта стрела, в будущем, может изменить направление. Что, в этом случае произойдёт с термодинамической стрелой времени и, уж тем более, психологической, это большой вопрос.

Всё дело в том, что направление термодинамической стрелы охраняет некий дракон, называемый "второй закон термодинамики", который утверждает, что энтропия , то мера беспорядка системы, не может уменьшаться со временем. В данном случае имеется в виду именно термодинамическая стрела времени. Не мало попыток было предпринято в истории человечества сломать этот закон, но все они окончились неудачей. В частности, этот закон гарантирует невозможность построения машины, именуемой вечным двигателем.

Возможно, что наша психологическая стрела времени совпадает с термодинамической именно по той же самой причине - мы весьма поднаторели в вопросах использования энтропии для извлечения некой локальной выгоды для себя. Мы поглощаем пищу и извлекаем из неё энергию в процессе переработки. Мы сжигаем древесину с целью извлечь из неё тепло, которое помогает нам приготовить ту пищу, которую мы поглощаем. Мы даже научились расщеплять атомы.

Иногда мы способны уменьшить энтропию в одном небольшом месте вселенной, выплавляя железо, строя дома, возделывая почву и сажая деревья. Но этот процесс всегда происходит за счёт того, что мы повысили энтропию где-то в другом месте, причём так, что полная энтропия системы всегда увеличится в результате наших действий.

Но что произойдёт с термодинамической и, как следствие, с психологической стрелой в результате Большого Сжатия? Не окажется ли так, что во время этого процесса энтропия начнёт... уменьшаться?

Какое место это оставляет нам, построившим свою цивилизацию на нашей способности управлять энтропией? Да, в условиях, когда атомы стремятся занять более упорядоченную, и, как следствие, более высокоэнергетическую структуру, нам откроется доступ к бесконечной и бесплатной энергии. Но что насчёт нашего тела, которое само извлекает энергию для себя за счёт энтропии? Сможем ли мы переварить пищу? Сможем ли мы расщепить атом?

Можно, конечно, сделать допущение, что, во время Большого Сжатия, то есть процесса уменьшения энтропии Вселенной и возврата её в первоначальное состояние до Большого Взрыва, будут существовать локальные участки вселенной, где энтропия всё так же будет увеличиваться. Может быть мы, даже, будем способны создавать подобные места. В этом случае локальное направление термодинамической, и, вместе с ней, нашей локальной психологической стрелы времени останется неизменным.

Однако, в целом, из того, что мы знаем о вселенной, Большое Сжатие кажется мне весьма маловероятным. Даже если допустить возможность такого процесса, для того, что бы Вселенная существовала вечно, в точку начальной сингулярности должно вернуться всё. Каждая единица информации, каждый квант испущенной и рассеянной энергии должны вернуться туда, от куда они вышли. В противном случае вселенная на каждой итерации теряла бы некую часть своей энергии. А это означает, во-первых, что история вселенной не начиналось бы с Большого Взрыва, Большой Взрыв и Больше Сжатие были бы просто этапами жизни вселенной. И, хотя такая вселенная не нарушала бы второго начала термодинамики, то есть её энтропия бы увеличивалась постоянно, одновременно с этим, это бы означало то, что такая вселенная не могла бы существовать вечно. Рано или поздно рассеянным оказалось бы всё!

Однако, если не Большое Сжатие то что? Возможен ли другой ответ на вопрос о том, как заканчивается вселенная. Как ни странно - возможен и далее я постараюсь об этом рассказать.

Это вымышленная история. Сюжет в целом, равно как события, описанные в романе, его действующие лица и места действия являются порождением фантазии автора или же используются условно. Любое возможное совпадение с реально существующими людьми, компаниями или событиями, имевшими место в реальности, является случайным.

Посвящается Тэйлору

Все великие империи будущего будут империями духа.

Уинстон Черчилль, 1953 г.

Если вы не знаете истории, то не знаете ничего.

Эдвард Джонстон, 1990 г.

Меня не интересует будущее. Я интересуюсь будущим будущего.

Роберт Дониджер, 1996 г.

ВВЕДЕНИЕ

Наука в конце столетия

Сто лет назад, на исходе девятнадцатого века, ученые всего мира испытывали чувство глубокого удовлетворения от сознания того, что им удалось создать исчерпывающую картину физического мира. Как выразился физик Алистер Рей: «К концу девятнадцатого столетия казалось, что известны уже все основные фундаментальные принципы, управляющие поведением физической вселенной» . Действительно, многие ученые утверждали, что изучение физики почти закончено и в ней больше не может быть сделано никаких крупных открытий; осталось лишь уточнять детали и вносить в картину завершающие штрихи.

Но вторая половина заключительного десятилетия явила свету несколько прелюбопытнейших сюрпризов. Рентген открыл лучи, проникавшие сквозь человеческую плоть. Поскольку их природу не удалось объяснить, он назвал их Х‑лучами. Два месяца спустя Анри Беккерель случайно обнаружил, что кусок урановой руды испускает некое излучение, засвечивающее фотографические пластинки. А в 1897 году был открыт электрон - носитель электричества.

И все же физики сохраняли спокойствие, уверенные в том, что существующая теория уже в ближайшее время найдет объяснение для всех этих аномалий. Никто не решился бы предсказать тогда, что не далее чем через какие‑нибудь пять лет их самодовольное представление о мире самым бесстыдным образом претерпит головокружительное изменение, в результате коего возникнет совершенно новая концепция вселенной и появятся ни на что не похожие технологии, благодаря которым повседневная жизнь на протяжении двадцатого столетия будет меняться самым невообразимым образом.

Если бы вы в 1899 году решились сказать какому‑нибудь физику, что спустя сто лет можно будет при помощи висящих в небесах спутников Земли передать в каждый дом движущиеся изображения; что бомбы невообразимой мощности станут угрожать существованию всего человеческого рода; что антибиотики помогут преодолеть инфекционные заболевания, но болезни перейдут в контрнаступление; что женщины получат избирательное право и пилюли для контроля рождаемости; что самолеты, способные взлетать и приземляться без помощи человека, будут ежечасно поднимать в воздух миллионы людей; что можно будет пересечь Атлантику со скоростью две тысячи миль в час; что люди совершат путешествие на Луну, а потом утратят к ней интерес; что в микроскопы можно будет разглядеть отдельные атомы; что люди станут носить с собой телефоны весом в несколько унций и разговаривать со всем миром без проводов и что большая часть этих чудес станет возможной благодаря устройствам размером с почтовую марку, построенным на основе новой теории, именуемой квантовой механикой, - если бы вы сказали все это, то выслушавший подобные бредни физик почти наверняка объявил бы вас сумасшедшим.

Почти ни одно из этих явлений не могло быть предсказано в 1899 году, потому что общепризнанная в то время научная теория утверждала, что подобное невозможно. А для тех немногочисленных явлений, которые невозможными не считались, таких, например, как самолет, нельзя было предположить массового применения.

Время – одно из самых загадочных понятий философии и естествознания. Это – одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Блаженный Августин, христианский теолог и церковный деятель (354-430) признавался: пока его никто не спрашивает о том, что такое время, он это понимает, но когда хочет ответить на такой вопрос, попадает в тупик. «Душа моя горит желанием проникнуть в эту необъяснимую для нее тайну» - говорил он.

Нам известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему.

Действительно, при описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли. Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления (для микромира, на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует), биологии, геологии, гуманитарных наук. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени» .

Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличение расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте , иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени ».

Существует и субъективное восприятие течения времени в результате психологических процессов, которые дают нам “психологическую шкалу времени”. Вопрос о психологическом времени сам по себе очень сложен. Для обычного - «природного» человека в первобытном, доцивилизованном племени время текло то быстро (например, ночью), то медленно (в минуты томительного ожидания) и сосредоточивалось в настоящем (по принципу «здесь и сейчас»). Прошлое при этом было вечным и, в то же время, одномоментным. Мы сохранили много пережитков субъективного восприятия времени. В частности, отмечая юбилейные даты, мы почти отождествляем их с первоначальным событием. У древних такое слияние было в порядке вещей. Известный психолог Эллиот Аронсон считает, что человеческая память является реконструирующей: мы не записываем прошлые события буквально, подобно магнитофону, а воссоздаем воспоминания из фрагментов, заполняя пробелы тем, что, по нашему мнению, должно было быть в тот момент. И эта реконструкция сильно зависит от внешнего мнения - человеку нетрудно внушить, что было в прошлом.

В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом,.термодинамические процессы определяют и «термодинамическую шкалу времени».

Итак, фактически мы имеем три «стрелы времени»:

• космологическую (расширение Вселенной);
  · психологическую (субъективное восприятие, опыт);
  · термодинамическую (рост энтропии).

Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.

Говоря о стреле времени, можно упомянуть и различные «экзотические гипотезы» о природе времени, например, гипотеза многомерного времени, выдвинутая физиком Л. Барашенковым.