Неумолимая стрела времени: почему время движется только вперед — Naked Science
Редакция
10

Неумолимая стрела времени: почему время движется только вперед

3.2

Прошлое ушло, будущее еще не наступило, и только настоящее находится с нами в одном и том же моменте. Но почему порядок событий именно такой? Почему пролитый завтра чай не оставит вчера пятно на ковре?

Время
©Wikipedia

Каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не движется назад. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени. Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет предпочтений по части направления движения времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед. Итак, откуда берется стрела времени?

Многие считают, что между стрелой времени и энтропией есть связь. Тогда как большинство людей обычно приравнивают энтропию к «беспорядку», это ленивое и не совсем точное описание. Напротив, об энтропии следует думать как о мере того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную, механическую работу. Если у вас много такой энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть она не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.

Итак, означает ли это, что мы воспринимаем время именно так из-за второго начала термодинамики? Связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени с энтропией? Некоторые физики считают, что это именно так. В проекте 2016 года, проведенном на ютьюб-канале MinutePhysics и физиком Шоном Кэрроллом, автором нескольких научно-популярных книг, интервью с которым вы можете прочитать в выпуске №39 журнала Naked Science, была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано с энтропией.

В процессе отскока прошлая и будущая траектории мяча определены законами физики, но для нас время будет течь только вперед / © MichaelMaggs/Richard Bartz

Энтропия действительно объясняет стрелу времени в случае многих феноменов, включая то, почему не разделяется смесь кофе и молока, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе есть много примеров этого процесса, включая комнату, наполненную молекулами: одна сторона наполнена холодными, движущимися медленно молекулами, а другая полна горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.

Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Видите ли, многие забывают, что, когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В далеком, 1870 году физик Джеймс Клерк Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую. Эту идею назвали «демоном Максвелла», и она позволяет понизить энтропию системы.

Представление демона Максвелла, способного распределять в одну или другую сторону коробки частицы в соответствии с их энергией / © Wikimedia Commons/Htkym

Конечно, нарушить второе начало термодинамики с помощью этого метода невозможно. Дело в том, что «демону» необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием «демона» — открытая. Если вы прибавите к ней энтропию и самого «демона» к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором мы воспринимаем ход времени.

Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем). Большинство ученых утверждают, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом гравитационно галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.

Квантовая природа инфляции означает, что она заканчивается в своего рода «карманах» Вселенной и продолжается в других, но пока нет понятия о том, какая была энтропия во время инфляции или как Вселенная пришла в состояние низкой энтропии в начале Горячего Большого взрыва / © E. Siegel/Beyond the Galaxy

Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной — свойственная самому пустому пространству — преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые — будем надеяться — однажды приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные или наблюдательные признаки, которые могли бы подсказать, пока получены не были.

Мы понимаем стрелу времени с точки зрения термодинамики — и это действительно ценное и очень важное понимание. Но если вы хотите узнать, почему вчера раз за разом остается в неизменном прошлом, завтра наступает на следующий день, а настоящее — то, где вы проживаете прямо сейчас, то термодинамика не сможет ответить на этот вопрос. И пока что, по сути, нет никого, кто бы смог.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сегодня, 11:36
68 минут
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Позавчера, 10:07
6 минут
Сергей Васильев

Первые сейсмические данные о внутренней структуре Красной планеты показали ее удивительно толстую кору и большое расплавленное ядро.

9 часов назад
5 минут
Илья Ведмеденко

Специалистам «Роскосмоса» удалось запустить основные двигатели нового модуля «Наука». Ранее сообщалось о технических неполадках, возникших после старта.

21 июля
22 минуты
Александр Березин

Существующие континенты движутся к слиянию в один — это лишь вопрос времени, считают большинство исследователей. Группа ученых решила выяснить, что будет с обитаемостью Земли после того, как это слияние завершится. Как оказалось, температура на планете существенно вырастет при любом исходе. Но в случае формирования одного из двух возможных суперконтинентов на суше станет намного холоднее. Если возникнет второй суперконтинент, доля обитаемой твердой поверхности, напротив, возрастет. Почему так получается и что из этого следует?

21 июля
4 минуты
Сергей Васильев

До сих пор было неизвестно, могут ли плоды передавать сигналы материнскому растению, но опыты, поставленные на томатах, показали, что это действительно происходит.

18 июля
5 минут
Илья Ведмеденко

Представлены первые фотографии перспективного российского боевого самолета, премьера которого состоится на грядущем авиасалоне МАКС. Ранее мы уже могли видеть новую машину, однако ее скрывал защитный чехол.

13 июля
5 минут
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
7 минут
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

11 июля
28 минут
Александр Березин

Еще год назад почти все были уверены, что эпидемия быстро закончится. Ведь научные исследования говорили: иммунитет переболевших очень сильный, а повторные заболевания крайне редки. Российские власти все еще верят в это: глава Роспотребнадзора Анна Попова утверждает, будто повторно болеет только 1%. От этого в России до сих пор ждут достижения «группового иммунитета» осенью — и, разумеется, снятия ковидных ограничений. К сожалению, это пустые надежды. Данные из других стран вообще не показывают реальной возможности достичь группового иммунитета за счет переболевших. Разбираемся в деталях.

[miniorange_social_login]

Комментарии

10 Комментариев

-
-3
+
Автор тёмный как сумрак и тупой, как осёл! Даже в учебниках уже пишут, что второе начало не является основным законом природы. Геологи в 1956 году измерили, что тепловые потоки коре Земли идут не от горячего центра Земли к холодной поверхности, а от холодной поверхности к горячему центру. Геологи подтвердили теоретическое описание этого процесса К.Э.Циолковским в работе "" Второе начало термодинамики", 1914г. Каким тупым нужно быть автору обсуждаемой статьи, чтобы рассуждать о том, чего не понимаешь!? vinogradov.ge@mail.ru Юрий
    -
    0
    +
    Оленька, спасибо Вам! Вы дарите надежду на уверенность в неизбежности вечной жизни на чисто научной основе.
    -
    0
    +
    Оленька, спасибо Вам! Вы дарите надежду на уверенность в неизбежности вечной жизни на чисто научной основе.
27.01.2019
-
0
+
Время, как атрибут вносится в наши наблюдения нашим сознанием, мировосприятием. С энтропией его привязали "за уши"! В песочных часах движется не время, а песок, в солнечных не время, а тень, в часах - стрелки . Посидите в темной комнате со звукоизоляцией и обнаружите, что время "остановилось". Проблемы с представлением о времени есть только у шизофреников ( и у тех, кто говорит о СТРЕЛЕ времени).
    29.01.2019
    -
    -1
    +
    Я посадил дерево, и за 1 год оно выросло на 1 метр. Я согласен, что год - это абстракция, созданная нашим сознанием. Но ведь и метр - тоже. Скажите, размер как атрибут, реален? Или размер тоже вносится в наблюдения нашим сознанием? Дерево может быть большим или маленьким, но как определить размер дерева? Большое дерево кажется маленьким издали. Дерево можно сравнить с чем-то, находящимся на том-же расстоянии. Но постойте, реально ли расстояние? Я стоял возле камня, сделал десять шагов, и дошёл до дерева. На пятом шаге мне казалось, что дерево в десять раз выше камня. Действительно ли высота дерева равна десяти высотам камня? Что если моё представление о длине моего шага зависит от расстояния до дерева? Что если высота дерева зависит от длины моего шага? Всё, чем мы располагаем, это некие закономерности, по которым наше сознание строит модель мира. Если высота дерева всегда кажется мне равной десяти высотам камня на пятом шагу - я буду считать что так оно и есть. Принципиальная разница между расстоянием и временем ускользает от меня. Шизофреник, не иначе.
26.01.2019
-
-1
+
Данную статью можно рассматривать как сборник несуразностей от безграмотного человека. В ней нет ни одного истинного утверждения. ======================= "сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную" ======================= Тепловая энергия - это КОНЕЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ превращения энергий, ее НИ ВО ЧТО ПРЕВРАТИТЬ НЕЛЬЗЯ. =================== "энтропия закрытой системы" ================= Во-первых, никто не знает является ли наша Вселенная "открытой" или "закрытой". Во-вторых, во Вселенной происходит постоянное ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ энергий - одни звезды умирают, а другие рождаются. И так далее и тому подобное - разбирать весь бред этого опуса нет желания.
Времени нет есть процессы сравнения не в физики формулы времени да и все уравнения выводятся без времени его потом в формулы тулят
22.01.2019
-
-1
+
Разве не внимание (например: направо или налево) отдельно взятого наблюдателя формирует субъективную направленность вектора времени?
-
1
+
Сегодня мы поговорим о том, почему время движется для нас исключительно вперед, и будем рассматривать это с точки зрения термодинамики. В общем то это не взаимосвязано, и мы не можем ответить на этот вопрос, собственно и почему мы решили взять привычную всем термодинамику
Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: