Проблема времени - Problem of time

В теоретическая физика, то проблема времени концептуальный конфликт между общая теория относительности и квантовая механика в этой квантовой механике течение времени рассматривается как универсальное и абсолютное, тогда как общая теория относительности рассматривает течение времени как податливое и относительное.[1] Эта проблема поднимает вопрос о том, что время действительно есть в физическом смысле и действительно ли это реальное, отличное явление. Это также связано с вопросом о том, почему кажется, что время течет в одном направлении, несмотря на то, что никакие известные физические законы на микроскопическом уровне, похоже, не требуют одного направления.[2] Для макроскопических систем направленность времени напрямую связано с первые принципы такой как Второй закон термодинамики.

Время в квантовой механике

В классическая механика, времени присваивается особый статус в том смысле, что оно рассматривается как классический фоновый параметр, внешний по отношению к самой системе. Эта особая роль видна в стандартной формулировке квантовой механики. Он рассматривается как часть априорно заданного классического фона с четко определенной ценностью. На самом деле, классическая трактовка времени тесно связана с Копенгагенская интерпретация квантовой механики и, следовательно, с концептуальными основами квантовой теории: все измерения наблюдаемых производятся в определенные моменты времени, а вероятности присваиваются только таким измерениям.

Специальная теория относительности изменил понятие времени. Но с фиксированной Лоренц Время с точки зрения наблюдателя остается выделенным, абсолютным, внешним, глобальным параметром. Ньютоновское понятие время по существу переносится на специальные релятивистские системы, скрытые в пространство-время структура.

Переворот абсолютного времени в общей теории относительности

Хотя классически пространство-время кажется абсолютным фоном, общая теория относительности показывает, что пространство-время действительно динамично; гравитация - это проявление геометрии пространства-времени. Материя реагирует с пространством-временем:

Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться.

— Джон Арчибальд Уиллер, Геоны, черные дыры и квантовая пена, стр. 235[3]

Кроме того, пространство-время может взаимодействовать с самим собой (например, с гравитационными волнами). Динамическая природа пространства-времени имеет множество последствий.

Динамическая природа пространства-времени через аргумент дыры, следует, что теория диффеоморфизм инвариантный. Ограничения - это отпечаток канонической теории инвариантности диффеоморфизма четырехмерной теории. Они также содержат динамику теории, поскольку гамильтониан тождественно равен нулю. Квантовая теория не имеет явной динамики; волновые функции аннигилируют связями, а наблюдаемые Дирака коммутируют с ограничениями и, следовательно, являются константами движения. Кухар вводит идею «многолетних растений», а Ровелли - идею «частичных наблюдаемых». Ожидается, что в физических ситуациях некоторые переменные теории будут играть роль «времени», по отношению к которому другие переменные будут развиваться и определять динамику относительным образом. Это сталкивается с трудностями и является разновидностью «проблемы времени» в каноническом квантовании.[4]

Предлагаемые решения проблемы времени

Основная статья: Множественные истории

Квантовая концепция времени впервые возникла в результате ранних исследований квантовой гравитации, в частности, из работ Брайс ДеВитт в 1960-е годы:[5]

«В других случаях это просто особые случаи других вселенных».

Другими словами, время - это запутанность явление, которое помещает все равные показания часов (правильно подготовленных часов - или любых объектов, используемых в качестве часов) в одну и ту же историю. Впервые это поняли физики. Дон Пейдж и Уильям Вуттерс в 1983 г.[6] Они сделали предложение решить проблему времени в таких системах, как общая теория относительности, которая называется интерпретацией условных вероятностей.[7] Он состоит в преобразовании всех переменных в квантовые операторы, один из которых используется в качестве часов, и в постановке вопросов об условной вероятности по отношению к другим переменным. Они пришли к решению, основанному на квантовом явлении запутанности. Пейдж и Вуттерс показали, как квантовая запутанность можно использовать для измерения времени.[8]

В 2013 году в Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) в Турине, Италия, Екатерина Морева вместе с Джорджо Брида, Марко Граменья, Витторио Джованнетти, Лоренцо Макконе и Марко Дженовезе провела первую экспериментальную проверку идей Пейджа и Вуттерса. Они подтвердили, что время - это новое явление для внутренних наблюдателей, но отсутствует для внешних наблюдателей Вселенной, как и Уравнение Уиллера – ДеВитта предсказывает.[9][10][11]

Последовательный подход дискретизации, разработанный Хорхе Пуллин и Родольфо Гамбини не имеют ограничений. Это методы решеточной аппроксимации для квантовой гравитации. В каноническом подходе, если дискретизировать ограничения и уравнения движения, результирующие дискретные уравнения несовместимы: их нельзя решить одновременно. Для решения этой проблемы используется техника, основанная на дискретизации действия теории и работе с дискретными уравнениями движения. Они автоматически гарантируют согласованность. Большинство сложных концептуальных вопросов квантовой гравитации связано с наличием ограничений в теории. Последовательные дискретизированные теории свободны от этих концептуальных проблем и могут быть напрямую квантованы, что дает решение проблемы времени. Это немного более тонко, чем это. Хотя оно не имеет ограничений и имеет «общую эволюцию», последнее возможно только с точки зрения дискретного параметра, который физически недоступен. Выход рассматривается аналогично подходу Пейдж-Вутерса. Идея состоит в том, чтобы выбрать одну из физических переменных в качестве часов и задать вопросы относительно отношения. Эти идеи, в которых часы также являются квантово-механическими, фактически привели к новой интерпретации квантовой механики - Интерпретация Монтевидео квантовой механики.[12][13] Эта новая интерпретация решает проблемы использования декогеренции окружающей среды как решения проблемы проблема измерения в квантовой механике, ссылаясь на фундаментальные ограничения, обусловленные квантово-механической природой часов, в процессе измерения в квантовой механике. Эти ограничения очень естественны в контексте общековариантных теорий, таких как квантовая гравитация, где часы следует рассматривать как одну из степеней свободы самой системы. Они также выдвинули эту фундаментальную декогеренцию как способ разрешения парадокс информации о черной дыре.[14][15] В определенных обстоятельствах поле материи используется для депараметрии теории и введения физического гамильтониана. Это генерирует эволюцию физического времени, а не ограничение.

Ограничения квантования сокращенного фазового пространства сначала решаются, а затем квантуются. Некоторое время этот подход считался невозможным, так как он, по-видимому, требует сначала найти общее решение уравнений Эйнштейна. Однако с использованием идей, включенных в схему аппроксимации Диттриха (построенных на идеях Ровелли), способ явно реализовать, по крайней мере в принципе, сокращенное квантование фазового пространства стало жизнеспособным.[16]

Авшалом Элицур и Шахар Долев утверждают, что квантово-механические эксперименты, такие как Quantum Liar[17] предоставляют свидетельства противоречивых историй, и что само пространство-время, следовательно, может быть подвержено изменениям, влияющим на всю историю.[18] Элицур и Долев также считают, что объективный ход времени и относительность могут быть согласованы, и что это решит многие проблемы с блочной вселенной и конфликтом между теорией относительности и квантовой механикой.[19]

Одно из решений проблемы времени, предложенное Ли Смолин состоит в том, что существует "плотное настоящее" событий, в котором два события в настоящем могут быть причинно связаны друг с другом, но в отличие от представления времени блочной вселенной, в котором все время существует вечно.[20] Марина Кортес и Ли Смолин утверждают, что определенные классы дискретных динамических систем демонстрируют асимметрию и необратимость времени, что согласуется с объективным течением времени.[21]

Гипотеза теплового времени

Основные статьи: Гипотеза теплового времени и термодинамика

Вообще ковариантный теории не имеют понятия об особом физическом времени, относительно которого все развивается. Однако это не требуется для полной формулировки и интерпретации теории. Законы динамики определяются корреляциями, которых достаточно для предсказаний. Но тогда необходим механизм, объясняющий, как знакомое понятие времени в конечном итоге возникает из вневременной структуры, чтобы стать таким важным компонентом макроскопического мира, в котором мы живем, а также нашего сознательного опыта.

В гипотеза теплового времени был предложен как возможное решение этой проблемы Карло Ровелли и Ален Конн, как в классической, так и в квантовой теории. Он постулирует, что физическое течение времени не является априори заданным фундаментальным свойством теории, а является макроскопической особенностью термодинамического происхождения.[22]

Рекомендации

  1. ^ Вулховер, Натали (1 декабря 2016 г.). "Проблема времени квантовой гравитации". Журнал Quanta.
  2. ^ Фолгер, Тим (12 июня 2007 г.). "Новости: время может не существовать". Обнаружить.
  3. ^ Джон Арчибальд Уиллер (18 июня 2010 г.). Геоны, черные дыры и квантовая пена: жизнь в физике. W. W. Norton. п. 235. ISBN  978-0-393-07948-7.
  4. ^ К. Кухар, в "Протоколах 4-го канадского совещания по теории относительности и релятивистской астрофизике", редакторы Г. Кунстаттер, Д. Винсент, Дж. Уильямс, World Scientific, Сингапур (1992).
  5. ^ Дэвид Дойч (14 апреля 2011 г.). Ткань реальности. Penguin Books Limited. п. 240. ISBN  978-0-14-196961-9.
  6. ^ Дойч, Дэвид (2011). Начало бесконечности: объяснения, меняющие мир. Пингвин Великобритания. п. 299. ISBN  9780141969695.
  7. ^ Пейдж, Дон Н .; Wootters, Уильям К. (15 июня 1983 г.). «Эволюция без эволюции: динамика, описываемая стационарными наблюдаемыми». Phys. Ред. D. 27: 2885. Bibcode:1983ПхРвД..27.2885П. Дои:10.1103 / PhysRevD.27.2885.
  8. ^ Арон, Джейкоб (25 октября 2013 г.). «Запутанная игрушечная вселенная показывает, что время может быть иллюзией». Архивировано из оригинал на 2016-10-18.
  9. ^ «Квантовый эксперимент показывает, как время« выходит »из запутанности». Блог по физике arXiv. 23 октября 2013 г. Архивировано с оригинал на 2017-06-03.
  10. ^ Морева, Екатерина; Брида, Джорджио; Граменья, Марко; Джованнетти, Витторио; Макконе, Лоренцо; Дженовезе, Марко (20 мая 2014 г.). «Время от квантовой запутанности: экспериментальная иллюстрация». Физический обзор A. 89 (5). arXiv:1310.4691. Bibcode:2014PhRvA..89e2122M. Дои:10.1103 / PhysRevA.89.052122.
  11. ^ Морева, Екатерина; Граменья, Марко; Брида, Джорджио; Макконе, Лоренцо; Дженовезе, Марко (16 ноября 2017 г.). «Квантовое время: экспериментальные многомерные корреляции». Физический обзор D. 96 (5). arXiv:1710.00707. Bibcode:2017PhRvD..96j2005M. Дои:10.1103 / PhysRevD.96.102005.
  12. ^ Гамбини, Родольфо; Пуллин, Хорхе (1 июня 2009 г.). «Интерпретация квантовой механики Монтевидео: часто задаваемые вопросы». Journal of Physics: Серия конференций. 174: 012003. arXiv:0905.4402. Bibcode:2009JPhCS.174a2003G. Дои:10.1088/1742-6596/174/1/012003.
  13. ^ Гамбини, Родольфо; Гарсия-Пинтос, Луис Педро; Пуллин, Хорхе (ноябрь 2011 г.). «Аксиоматическая формулировка интерпретации квантовой механики Монтевидео». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики. 42 (4): 256–263. arXiv:1002.4209. Bibcode:2011ШПМП..42..256Г. Дои:10.1016 / j.shpsb.2011.10.002.
  14. ^ Гамбини, Родольфо; Порту, Рафаэль А .; Пуллин, Хорхе (декабрь 2004 г.). "Никакая информационная загадка черной дыры в реляционной Вселенной". Международный журнал современной физики D. 13 (10): 2315–2320. arXiv:hep-th / 0405183. Bibcode:2004IJMPD..13.2315G. Дои:10.1142 / S0218271804006383.
  15. ^ Гамбини, Родольфо; Порту, Рафаэль А .; Пуллин, Хорхе (6 декабря 2004 г.). «Реалистичные часы, универсальная декогеренция и информационный парадокс черной дыры». Письма с физическими проверками. 93 (24). arXiv:hep-th / 0406260. Bibcode:2004ПхРвЛ..93х0401Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.93.240401.
  16. ^ Тиманн, Т. (21 февраля 2006 г.). «Квантование в приведенном фазовом пространстве и наблюдаемые Дирака». Классическая и квантовая гравитация. 23 (4): 1163–1180. arXiv:gr-qc / 0411031. Bibcode:2006CQGra..23.1163T. Дои:10.1088/0264-9381/23/4/006.
  17. ^ Элицур, А.С., и Долев, С. (2005). «Квантовые явления в новой теории времени». В квантовой механике Quo vadis? (стр. 325-349). Шпрингер, Берлин, Гейдельберг.
  18. ^ Элицур, А.С., и Долев, С. (2003). "Есть еще что-нибудь о Т?. В «Природе времени: геометрия, физика и восприятие» (стр. 297-306). Спрингер, Дордрехт.
  19. ^ Элицур, А.С., и Долев, С. (2005). «Стать мостом между квантовой механикой и теорией относительности». In Endophysics, Time, Quantum And The Subjective: (С CD-ROM) (стр. 589-606).
  20. ^ Смолин, Л (2015). «Темпоральный натурализм». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики. 52: 86–102. arXiv:1805.12468. Дои:10.1016 / j.shpsb.2015.03.005.
  21. ^ Cortês, M .; Смолин, Л. (2018). «Обращение к необратимому: от предельных циклов к возникающей временной симметрии». Физический обзор D. 97 (2): 026004. arXiv:1703.09696. Дои:10.1103 / Physrevd.97.026004.
  22. ^ Конн, А; Ровелли, К. (1 декабря 1994 г.). "Автоморфизмы алгебры фон Неймана и связь времени-термодинамики в общековариантных квантовых теориях" (PDF). Классическая и квантовая гравитация. 11 (12): 2899–2917. arXiv:gr-qc / 9406019. Bibcode:1994CQGra..11.2899C. Дои:10.1088/0264-9381/11/12/007.

дальнейшее чтение