Tidens gåta

Tid har alltid varit ett problem. För det första var det svårt för ens enastående hjärnor att förstå vad tid egentligen var. Idag, när det verkar för oss att vi förstår detta till viss del, tror många att utan det, åtminstone i traditionell mening, kommer det att vara bekvämare.

"" Skrivet av Isaac Newton. Han trodde att tid bara verkligen kunde förstås matematiskt. För honom var endimensionell absolut tid och universums tredimensionella geometri oberoende och separata aspekter av objektiv verklighet, och vid varje ögonblick av absolut tid inträffade alla händelser i universum samtidigt.

Med sin speciella relativitetsteori eliminerade Einstein begreppet samtidig tid. Enligt hans idé är simultanitet inte ett absolut förhållande mellan händelser: det som är samtidigt i en referensram kommer inte nödvändigtvis att vara samtidigt i en annan.

Ett exempel på Einsteins förståelse av tid är myonen från kosmiska strålar. Det är en instabil subatomär partikel med en genomsnittlig livslängd på 2,2 mikrosekunder. Den bildas i den övre atmosfären, och även om vi förväntar oss att den bara färdas 660 meter (med ljusets hastighet 300 000 km/s) innan den sönderfaller, tillåter tidsutvidgningseffekter kosmiska myoner att resa mer än 100 kilometer till jordens yta. och vidare. . I jordens referensram lever myoner längre på grund av sin höga hastighet.

1907 introducerade Einsteins tidigare lärare Hermann Minkowski rum och tid som. Rymdtiden beter sig som en scen där partiklar rör sig i universum i förhållande till varandra. Denna version av rumtid var dock ofullständig (se även: ). Det inkluderade inte gravitation förrän Einstein introducerade allmän relativitetsteori 1916. Rymdtidens struktur är kontinuerlig, slät, böjd och deformerad av närvaron av materia och energi (2). Tyngdkraften är universums krökning som orsakas av massiva kroppar och andra former av energi som bestämmer vägen längs vilken objekt rör sig. Denna krökning är dynamisk och rör sig när föremål rör sig. Som fysikern John Wheeler säger, "rymdtiden fångar massa, berättar för den hur den ska röra sig, och massan fångar rymdtiden, berättar för den hur den ska krökas."

2. Einstein rum-tid

Tiden och kvantvärlden

Den allmänna relativitetsteorin anser att tidsflödet är kontinuerligt och relativt, och anser att tidsflödet är universellt och absolut i det valda avsnittet. På 60-talet ledde ett framgångsrikt försök att kombinera tidigare inkompatibla idéer, kvantmekanik och allmän relativitetsteori till vad som kallas Wheeler-DeWitt-ekvationen, ett steg mot teorin kvantgravitation. Denna ekvation löste ett problem, men skapade ett annat. Tid spelar ingen roll i denna ekvation. Detta har lett till en stor kontrovers bland fysiker, som de kallar problemet med tid.

Carlo Rovelli (3), en modern italiensk teoretisk fysiker har en bestämd åsikt i denna fråga. "," skrev han i boken "The Mystery of Time."

3. Carlo Rovelli och hans bok

De som håller med Köpenhamnstolkningen av kvantmekaniken tror att kvantprocesser lyder Schrödinger-ekvationen, som är symmetrisk i tiden och uppstår från en funktions vågkollaps. I den kvantmekaniska versionen av entropi, när entropin förändras, är det inte värme som strömmar, utan information. Vissa kvantfysiker hävdar att de har hittat den ursprungliga källan till tidens pil. De säger att energi försvinner och objekt anpassar sig eftersom subatomära partiklar binds samman genom interaktion i form av "kvantintrassling". Einstein, tillsammans med sina kollegor Podolsky och Rosen, ansåg ett sådant beteende omöjligt eftersom det stred mot den lokala realistiska synen på orsakssamband. Hur kan partiklar som ligger långt ifrån varandra interagera med varandra direkt, frågade de.

1964 utvecklade han ett experimentellt test som motbevisade Einsteins påståenden om så kallade dolda variabler. Följaktligen är det en allmän uppfattning att information faktiskt färdas mellan intrasslade partiklar, potentiellt snabbare än ljuset kan färdas. Så vitt vi vet finns inte tid för intrasslade partiklar (4).

Ett team av fysiker vid det hebreiska universitetet under ledning av Eli Megidish i Jerusalem rapporterade 2013 att de hade lyckats trasssla in fotoner som inte existerade samtidigt i tid. Först, i det första steget skapade de ett intrasslat par fotoner, 1-2. Strax efter mätte de polariseringen av foton 1 (egenskapen som beskriver riktningen i vilken ljuset svänger) - och "dödar" den (steg II). Foton 2 skickades på sin resa och ett nytt intrasslat par 3-4 bildades (steg III). Foton 3 mättes sedan tillsammans med den vandringsfoton 2 så att intrasslingskoefficienten "ändrades" från de gamla paren (1-2 och 3-4) till de nya kombinerade 2-3 (steg IV). En tid senare (steg V) mäts polariteten för den enda överlevande fotonen 4, och resultaten jämförs med polariseringen av den länge döda fotonen 1 (tillbaka i steg II). Resultat? Data avslöjade kvantkorrelationer mellan foton 1 och 4, som var "tillfälligt icke-lokala". Detta innebär att intrassling kan uppstå i två kvantsystem som aldrig har samexisterat i tiden.

Megidish och hans kollegor kan inte låta bli att spekulera i möjliga tolkningar av deras resultat. Kanske styr mätningen av polariseringen av foton 1 i steg II på något sätt den framtida polariseringen av 4, eller mätningen av polariseringen av foton 4 i steg V skriver om på något sätt det tidigare polariseringstillståndet för foton 1. I både framåt- och bakåtriktningen, kvantkorrelationer fortplantar sig till det kausala tomrummet mellan en fotons död och födelsen av en annan.

Vad kan detta betyda på en makroskala? Forskare som diskuterar de möjliga konsekvenserna lyfter upp möjligheten att våra observationer av stjärnljus på något sätt dikterade polariseringen av fotoner för 9 miljarder år sedan.

Ett par amerikanska och kanadensiska fysiker, Matthew S. Leifer från Chapman University i Kalifornien och Matthew F. Pusey från Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, observerade för flera år sedan att om vi inte håller oss till det faktum att Einstein. Mätningar gjorda på en partikel kan återspeglas i det förflutna och framtiden, vilket i detta läge blir irrelevant. Genom att omformulera några grundläggande antaganden utvecklade forskarna en modell baserad på Bells teorem där rummet omvandlas till tid. Deras beräkningar visar varför vi, om vi antar att tiden alltid ligger framför, snubblar över motsägelser.

Enligt Carl Rovelli är vår mänskliga tidsuppfattning oupplösligt kopplad till hur termisk energi beter sig. Varför vet vi bara det förflutna och inte framtiden? Nyckeln, som forskaren föreslår, enkelriktat värmeflöde från varmare till kallare föremål. En isbit som tappas ner i en varm kopp kaffe kyler ner kaffet. Men processen är oåterkallelig. Människan, som någon slags "termodynamisk maskin", följer denna tidspil och kan inte förstå någon annan riktning. "Men om jag observerar ett mikroskopiskt tillstånd," skriver Rovelli, "försvinner skillnaden mellan det förflutna och framtiden... i sakers elementära grammatik finns det ingen skillnad mellan orsak och verkan."

Tid mätt i kvantfraktioner

Eller kanske tiden kan kvantiseras? En ny teori som nyligen dök upp tyder på att det minsta tänkbara tidsintervallet inte kan överstiga en miljondels miljarddels miljarddels sekund. Teorin följer ett koncept som åtminstone är klockans grundläggande egenskap. Enligt teoretiker kan implikationerna av detta resonemang hjälpa till att skapa en "teori om allting."

Begreppet kvanttid är inte nytt. Kvantgravitationsmodell föreslår att tiden ska kvantiseras och ha en viss tickande hastighet. Denna tickande cykel är den universella minimienheten, och ingen tidsdimension kan vara mindre än så här. Det skulle vara som om det fanns ett fält vid basen av universum som bestämde minimihastigheten för allt i det, vilket gav massa till andra partiklar. I fallet med denna universella klocka, "istället för att ge massa, kommer den att ge tid", förklarar en fysiker som föreslår att kvantisera tid, Martin Boyowald.

Genom att simulera en sådan universell klocka visade han och hans kollegor vid Pennsylvania State College i USA att detta skulle få konsekvenser för artificiella atomur, som använder atomvibrationer för att producera de mest exakta resultaten som är kända. tidsmätningar. Enligt denna modell var hastigheten för atomur (5) ibland inte synkroniserad med hastigheten för den universella klockan. Detta skulle begränsa tidsmätningens noggrannhet till enbart atomklockan, vilket innebär att två olika atomklockor kanske inte matchar längden på den förflutna perioden. Med tanke på att våra bästa atomklockor stämmer överens med varandra och kan mäta tickar på upp till 10-19 sekunder, eller en tiondels miljarddels miljarddels sekund, kan den grundläggande tidsenheten inte vara större än 10-33 sekunder . Detta är slutsatserna av en artikel om denna teori som publicerades i juni 2020 i tidskriften Physical Review Letters.

5. Lutetium-baserad atomur vid National University of Singapore.

Att testa om en sådan grundläggande tidsenhet existerar är bortom våra nuvarande tekniska möjligheter, men verkar fortfarande mer tillgängligt än att mäta Planck-tid, som är 5,4 × 10–44 sekunder.

Fjärilseffekten fungerar inte!

Att ta bort tiden från kvantvärlden, eller kvantisera den, skulle kunna få intressanta konsekvenser, men låt oss vara ärliga, den populära fantasin drivs av något annat, nämligen tidsresor.

För ungefär ett år sedan berättade Ronald Mallett, fysikprofessor vid University of Connecticut för CNN att han hade skrivit en vetenskaplig ekvation som skulle kunna användas som grund för realtidsmaskin. Han byggde till och med en anordning för att illustrera ett nyckelelement i teorin. Han menar att det är teoretiskt möjligt förvandla tiden till en slingasom skulle möjliggöra tidsresor till det förflutna. Han byggde till och med en prototyp som visar hur lasrar kan hjälpa till att uppnå detta mål. Det bör noteras att Malletts kollegor inte är säkra på att hans tidsmaskin någonsin kommer att förverkligas. Till och med Mallett medger att hans idé är helt teoretisk vid det här laget.

I slutet av 2019 rapporterade New Scientist att fysikerna Barak Shoshani och Jacob Hauser från Perimeter Institute i Kanada hade beskrivit en lösning där en person teoretiskt kunde resa från en nyhetsflöde till den andra, passerar genom hålet in rum-tid eller en tunnel, som man säger, "matematiskt möjlig". Denna modell utgår från att det finns olika parallella universum som vi kan resa i, och har en allvarlig nackdel – tidsresor påverkar inte resenärernas egen tidslinje. Så du kan påverka andra kontinuum, men den som vi startade resan från förblir densamma.

Och eftersom vi är i rum-tidskontinuum, då med hjälp kvantdator För att simulera tidsresor har forskare nyligen visat att det inte finns någon "fjärilseffekt" i kvantvärlden, som man kan se i många science fiction-filmer och böcker. I experiment på kvantnivå, skadade, till synes nästan oförändrade, som om verkligheten läker sig själv. En artikel om ämnet dök upp i somras i Psysical Review Letters. "På en kvantdator finns det inga problem vare sig med att simulera den motsatta evolutionen i tid, eller med att simulera processen att flytta processen tillbaka till det förflutna", förklarade Mikolay Sinitsyn, en teoretisk fysiker vid Los Alamos National Laboratory och co- författaren till studien. Arbete. "Vi kan verkligen se vad som händer med den komplexa kvantvärlden om vi går tillbaka i tiden, lägger till några skador och går tillbaka. Vi finner att vår urvärld har överlevt, vilket betyder att det inte finns någon fjärilseffekt i kvantmekaniken."

Detta är ett stort slag för oss, men kanske goda nyheter för oss. Rum-tidskontinuumet bibehåller sin integritet och förhindrar att små förändringar förstör det. Varför? Detta är en intressant fråga, men ett något annat ämne än tiden själv.