Неумолимая стрела времени: почему время движется только вперед — Naked Science
13 минут
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.
Вчера, 19:40
28 минут
Александр Речкин

Впервые я увидел «Стрелу», как и миллионы землян, двадцать второго марта, когда она пронзила голубую дымку утреннего неба. Чудовищный, по земным меркам, космический корабль завис на орбите нашей планеты. Говорят, он просто возник в мгновение ока. Его появление не сопровождали ни вспышки света, ни грохот, ни клубы ракетного огня.

Вчера, 19:05
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

Вчера, 20:05
4 минуты
Илья Ведмеденко

Компания Dynetics провела успешные тесты перспективной воздушной системы X-61A Gremlins, предполагающей запуск БПЛА с борта самолета-носителя. Во время испытания беспилотник находился в непосредственной близости от C-130.

Вчера, 19:05
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

22 января
4 минуты
Ольга Иванова

Особенно это касается витаминов D и A, а также холестерина и незаменимых аминокислот. Все эти показатели у детей, которых кормили в соответствии с веганским меню, оказались значительно ниже, чем у малышей, придерживавшихся обычной диеты.

22 января
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

10 Комментариев
Ольга Тимохова
29.01.2019
-
-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
    Роман Якимов
    28.11.2020
    -
    0
    +
    Оленька, спасибо Вам! Вы дарите надежду на уверенность в неизбежности вечной жизни на чисто научной основе.
    Роман Якимов
    28.11.2020
    -
    0
    +
    Оленька, спасибо Вам! Вы дарите надежду на уверенность в неизбежности вечной жизни на чисто научной основе.
Evgeny Paltsev
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).
    Liahhim
    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.
Wlad Wlad
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.
Александр Попов 1
23.01.2019
-
-1
+
Времени нет есть процессы сравнения не в физики формулы времени да и все уравнения выводятся без времени его потом в формулы тулят
Rulon Oboev
22.01.2019
-
-1
+
Разве не внимание (например: направо или налево) отдельно взятого наблюдателя формирует субъективную направленность вектора времени?
    Роман Якимов
    28.11.2020
    -
    0
    +
    Дать бы по наглой морде этому наблюдателю чтобы не пялился куда не следует.
Дима Иванько
22.01.2019
-
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?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: