Космологическое происхождение "стрелы времени". (Почти) обратимая стрела времени может привести нас к темной материи Что понимают под стрелой времени

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.

Кофе остывает, здания разрушаются, яйца разбиваются, а звезды гаснут во вселенной, которая как будто обречена на переход к серому однообразию, известному как тепловое равновесие. Астроном и философ сэр Артур Эддингтон (Arthur Eddington) в 1927 году заявил, что постепенное рассеивание энергии является доказательством необратимости «стрелы времени».

Но к недоумению целых поколений физиков, понятие стрелы времени не соответствует основным законам физики, которые во времени действуют как в прямом направлении, так и в противоположном. Согласно этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и обратил их вспять, энергия стала бы накапливаться, а не рассеиваться: холодный кофе начал бы нагреваться, здания подниматься из руин, а солнечный свет направился бы обратно к Солнцу.

«В классической физике у нас были сложности, - говорит профессор Санду Попеску (Sandu Popescu), преподающий физику в британском Бристольском университете. - Если бы я знал больше, мог бы я обратить ход события вспять и собрать воедино все молекулы разбитого яйца?»

Конечно, говорит он, стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента зарождения термодинамики в 1850-е годы единственным известным способом расчета распространения энергии была формула статистического распределения неизвестных траекторий частиц и демонстрация того, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики вскрывают более фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается, и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы при взаимодействии спутываются. Этот странный эффект они назвали «квантовым смешением», или запутанностью.

«Наконец мы можем понять, почему чашка кофе в комнате приходит в равновесие с ней, - говорит квантовый физик из Бристоля Тони Шорт (Tony Short). - Возникает смешение между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты».

Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден (Noah Linden) и Андреас Уинтер (Andreas Winter) сообщили о своем открытии в журнале Physical Review E в 2009 году, заявив, что предметы приходят в равновесие, или в состояние равномерного распределения энергии, в течение неопределенно долгого времени за счет квантово-механического смешения с окружающей средой. Похожее открытие несколькими месяцами раньше сделал Питер Рейман (Peter Reimann) из Билефельдского университета в Германии, опубликовав свои выводы в Physical Review Letters. Шорт и коллеги подкрепили свои доводы в 2012 году, показав, что запутанность вызывает равновесие за конечное время. А в работе, опубликованной в феврале на сайте arXiv. org, две отдельные группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются за время, прямо пропорциональное их размеру. «Чтобы показать, что это применимо к нашему реальному физическому миру, процессы должны происходить в разумных временных рамках», - говорит Шорт.

Тенденция кофе (и всего остального) приходить в равновесие «очень интуитивна», считает Николас Бруннер (Nicolas Brunner), работающий квантовым физиком в Женевском университете. «Но при объяснении причин этого мы впервые имеем твердые основания с учетом микроскопической теории».

Если новое направление исследований верно, то история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа изначально неопределенна. Элементарная частица лишена конкретных физических свойств, и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентной вероятностью вращаться по часовой стрелке и с 50-процентной против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла (John Bell) гласит, что нет «истинного» состояния частиц; вероятности это единственное, что можно использовать для его описания.

Квантовая неопределенность неизбежно приводит к смешению - предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их уже нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся перепутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описывают две частицы вместе. Они могут, например, указать на то, что частицы вращаются в противоположных направлениях. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой частицы «смешано» с состоянием другой частицы. Обе частицы могут двигаться на расстоянии нескольких световых лет друг от друга, но вращение одной частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии».

«Запутанность это в некотором смысле суть квантовой механики», или законов, регулирующих взаимодействия в субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.

Идея того, что смешением можно объяснить стрелу времени, впервые 30 лет назад пришла в голову Сету Ллойду (Seth Lloyd), когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета со степенью Гарварда по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и ее распространение по мере того, как частицы становятся все более перепутанными, может прийти на смену неуверенности (или незнанию) человека в старых классических доказательствах и стать истинным источником стрелы времени.

Используя малоизвестный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными кирпичиками, Ллойд несколько лет изучал эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц и нулей. Он выяснил, что по мере того, как частицы все больше смешиваются друг с другом, информация, которая их описывала (например, 1 для вращения по часовой стрелке, и 0 - против часовой), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Частицы как будто постепенно теряли свою самостоятельность и становились пешками коллективного состояния. Со временем вся информация переходит в эти коллективные скопления, а у отдельных частиц ее не остается вообще. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, и их состояния перестают меняться, словно чашка кофе остывает до комнатной температуры.

«Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаннями. Стрела времени - это стрела роста корреляций».

Эта идея, изложенная в докторской диссертации Ллойда в 1988 году, не была услышана. Когда ученый отправил статью об этом в редакцию журнала, ему сказали, что «в этой работе нет физики». Теория квантовой информации «была глубоко непопулярна» в то время, говорит Ллойд, и вопросы о стреле времени «были уделом психов и тронувшихся умом нобелевских лауреатов».

«Я был чертовски близок к тому, чтобы стать водителем такси», - сказал он.

С тех пор достижения в области квантовых вычислений превратили теорию квантовой информации в одну из самых активных областей физики. В настоящее время Ллойд работает профессором Массачусетского технологического института, он признан одним из основателей этой дисциплины, и его забытые идеи возрождаются усилиями физиков из Бристоля. Новые доказательства являются более общими, говорят ученые, и применимы к любой квантовой системе.

«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов к ней, - говорит руководитель Института теоретической физики при Швейцарской высшей технической школе Цюриха Ренато Реннер (Renato Renner). - Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время».

В 2009 году доказательства коллектива бристольских физиков нашли отклик у теоретиков квантовой информации, которые открыли новые способы применения их методов. Они показали, что по мере того, как объекты взаимодействуют с окружающей средой - как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом - информация об их свойствах «утекает и растекается по этой среде», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе остается неизменным, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает меняться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться во времени».

Получается, холодная чашка кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно выделиться из воздуха комнаты и вернуться в чистое состояние. Но смешанных состояний гораздо больше, чем чистых, и практически кофе никогда не сможет вернуться в чистое состояние. Чтобы увидеть это, нам придется жить дольше вселенной. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой. «По сути дела, смешение открывает для нас огромное пространство, - говорит Попеску. - Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Как только вы входите в них, вы выходите из равновесия, попадаете в огромное пространство и теряетесь в нем. К воротам вы не вернетесь никогда».

В новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний о том, что приводит в равновесие чашку кофе и комнату. Комната в конце концов уравновешивается с внешней средой, а среда еще медленнее движется к равновесию с остальной вселенной. Гиганты термодинамики 19-го века рассматривали этот процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос вселенной. Сегодня же Ллойд, Попеску и другие специалисты из этой области рассматривают стрелу времени по-другому. По их мнению, информация становится все более диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.

«В целом вселенная находится в чистом состоянии, - говорит Ллойд. - Но отдельные ее части, переплетаясь с остальной частью вселенной, приходят в смешанное состояние».

Но одна загадка стрелы времени остается неразгаданной. «В этих работах нет ничего, что объясняет, почему вы начинаете с ворот, говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. - Другими словами, они не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе Большого взрыва.

Несмотря на недавние успехи в расчетах времени уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для расчета термодинамических свойств конкретных вещей типа кофе, стекла или необычных состояний материи. (Некоторые специалисты по традиционной термодинамике говорят, что очень мало знают о новом подходе). «Дело в том, что нужно найти критерии для того, какие вещи ведут себя как оконное стекло, а какие как чашка чая, - говорит Реннер. - Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении, но сделать предстоит еще очень много».

Некоторые исследователи выразили сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты. Но концептуальные достижения и новая совокупность математических формул уже помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, например о фундаментальных ограничениях квантовых компьютеров и даже о конечной судьбе Вселенной.

«Мы все больше и больше думаем о том, что можно сделать с квантовыми машинами, - говорит Пол Скржипчик (Paul Skrzypczyk) из Института фотонных наук в Барселоне. - Допустим, система еще не находится в состоянии равновесия, и мы хотим заставить ее работать. Сколько полезной работы мы сможем извлечь? Как я смогу вмешаться, чтобы сделать что-нибудь интересное?»

Теоретик космологии из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл (Sean Carroll) применяет новые формулы в своей последней работе о стреле времени в космологии. «Мне интересна самая что ни на есть долгосрочная судьба космологического пространства-времени, - говорит Кэрролл, написавший книгу From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Из бесконечности сюда. Поиски конечной теории времени). - В этой ситуации мы еще не знаем всех нужных законов физики, поэтому есть смысл обратиться к абстрактному уровню, и здесь, как мне кажется, нам поможет этот квантово-механический подход».

Спустя двадцать шесть лет после провала грандиозной идеи Ллойда о стреле времени он с удовольствием наблюдает за ее возрождением и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру. «Думаю, сейчас все же заговорят о том, что в этой идее есть физика», - заявляет он.

А философия и подавно.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, что является сбивающим с толку проявлением стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь записку на листе бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые попадают в ваши глаза. Только с этого момента вы можете запомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд, «настоящее можно охарактеризовать как процесс установления корреляций с нашим окружением».

Фоном для устойчивого роста переплетений во всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на шаг не приблизились к пониманию природы самого времени или того, почему оно отличается от трех других измерений пространства (в концептуальном плане и в уравнениях квантовой механики). Попеску называет эту загадку «одним из величайших неизвестных в физике».

«Мы можем обсуждать то, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, - говорит он. - Но наше восприятие того, что время идет - это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится новая революция в физике, которая расскажет об этом».

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.

Актуальность

Время - неотъемлемая составляющая нашего бытия. Включение времени в галилеевскую механику ознаменовало рождение новой науки. Основная тема нашего реферата – проблема стрелы времени.

Стрела времени

Метафорическое обозначение направления времени

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.

Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличения расстояния между галактиками.

Фрейд Хойл
(1915-2001)

Для характеристики однонаправленности и необратимости времени английский астрофизик А. Эддингтон ввел понятие, «стрела времени».

А.Эддингтон

По мнению А. Эддингтона, Ф. Хойла и некоторых других «стрела времени» существует, потому что Вселенная расширяется. Если в будущем расширение сменится сжатием, то, по мнению этих ученых, изменится и направление «стрелы времени».

Загадкой является тот факт, что все три «стрелы» направлены в сегодняшней Вселенной в одну сторону.

С. Хоукинг в недавно вышедшей книге «Краткая история времени» обсудил эту проблему, и мы приведем здесь некоторые его соображения.

Стивен Уильям Хокинг
(1942- н.в.)

Эволюционно выделяют три стрелы времени:

Термодинамическая стрела, указывающая то направление времени, в котором возрастает энтропия или беспорядок;

Космологическая стрела времени, в направлении которой происходит расширение Вселенной;

Психологическая стрела или направление времени, соответствующее нашему ощущению непреклонного хода времени, направление накопления поступающей информации.

Космологическая стрела времени определяет направление эволюции нестационарной, неравновесной Вселенной.

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 ».

Термодинамическая стрела указывает направление времени в сторону увеличения энтропии Больцмана, т. е. в направлении самопроизвольного роста беспорядка в изолированных системах.

В термодинамике подчёркивается выделенность направления времени (неравноценность прошлого и будущего). Во всех процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его из беспорядка. Несравненно проще разбить стекло, чем изготовить новое и вставить его в раму.

«Гораздо проще убить живое существо, чем возвратить его к жизни, если вообще возможно. Бог сотворил маленькую букашку. Если ты её раздавишь, она умрёт.» - такой эпиграф поставил американский биохимик Сент Дьерди к своей книге

Психологическая стрела определяет направление стрелы времени в наших собственных ощущениях прошлого и будущего. На мой взгляд, это довольно зыбкое понятие. Конечно, мы отличаем вчера от сегодня и сегодня от завтра, помним, что-то из прошлого нашей жизни.

«Всему свое время, и время всякой вещи под небом: время рождаться, и время умирать; время насаждать,- и время вырывать посаженное; время убивать, и время врачевать; время разрушать, и время строить; время плакать, и время смеяться; время сетовать, и время плясать; время разбрасывать камни, и время собирать камни; время обнимать, и время уклоняться от объятий; время искать, и время терять; время сберегать и время бросать; время раздирать, и время сшивать; время молчать, и время говорить; время любить, и время ненавидеть; время войне, и время миру

(Книга «Экклезиаста»)

Совпадение направления космологической, термолинамической и психологической стрел времени

С. Хоукинг в недавно вышедшей книге «Краткая история времени» обсудил эту проблему, и мы приведем здесь некоторые его соображения.

она всегда указывает в направлении увеличения беспорядка, ибо путей к увеличению беспорядка всегда несравненно больше, чем ведущих к упорядочению. Поэтому с гораздо большей вероятностью увеличивается «хаос», чем наступает порядок.

Психологическая стрела времени

«Направление времени, - пишет С. Хоукинг, - в котором компьютер запоминает прошлое, совпадает с направлением, в котором возрастает беспорядок.

любые человеческие существа, которые наблюдали бы чашки, жили бы во Вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем...

Такие существа имели бы «психологическую стрелу времени», направленную вспять.

Это означает, что они помнили бы события будущего и не помнили бы события в их прошлом.

В момент, когда чашка разбита, они помнили бы ее стоящей на столе, но в момент, когда она была на столе, они не помнили бы ее находящейся на полу.

Итак, «психологическая» и «термодинамическая» стрелы времени должны совпадать.

По теории С.Хокинга

направление космологической стрелы совпадает с направлением двух упомянутых. Но возможно, что так будет не всегда. Если плотность материи во Вселенной превышает критическое значение, то в будущем наступит момент, когда расширение сменится сжатием. В этот момент сменит свое направление и «космологическая стрела времени», а две остальные по-прежнему будут указывать то же направление. И между тремя стрелами времени наступит рассогласование.

Благодарю за внимание!