Problém času - Problem of time - Wikipedia

v teoretická fyzika, problém času je koncepční konflikt mezi obecná relativita a kvantová mechanika v této kvantové mechanice je tok času považován za univerzální a absolutní, zatímco obecná relativita považuje tok času za tvárný a relativní.[1] Tento problém vyvolává otázku co čas opravdu je ve fyzickém smyslu a zda je to skutečně skutečný, zřetelný jev. Zahrnuje také související otázku, proč se zdá, že čas plyne jedním směrem, a to navzdory skutečnosti, že žádné známé fyzikální zákony na mikroskopické úrovni nevyžadují jediný směr.[2] Pro makroskopické systémy směrovost času přímo souvisí s první principy tak jako Druhý zákon termodynamiky.

Čas v kvantové mechanice

v klasická mechanika, je času přiřazen zvláštní stav v tom smyslu, že se s ním zachází jako s klasickým parametrem pozadí, který je mimo samotný systém. Tato speciální role je vidět ve standardní formulaci kvantové mechaniky. Považuje se za součást apriori daného klasického pozadí s dobře definovanou hodnotou. Klasické zacházení s časem je ve skutečnosti hluboce propojeno s Kodaňská interpretace kvantové mechaniky, a tedy s koncepčními základy kvantové teorie: všechna měření pozorovatelných jsou prováděna v určitých okamžicích času a pravděpodobnosti jsou přiřazeny pouze těmto měřením.

Speciální relativita změnil představu o čase. Ale z pevné Lorentz čas pohledu pozorovatele zůstává rozlišovacím, absolutním, externím a globálním parametrem. Newtonovská představa čas v podstatě se přenáší na speciální relativistické systémy, skryté v vesmírný čas struktura.

Převrácení absolutního času v obecné relativitě

Ačkoli klasicky vesmírný čas se jeví jako absolutní pozadí, obecná relativita odhaluje, že časoprostor je ve skutečnosti dynamický; gravitace je projevem geometrie časoprostoru. Hmota reaguje s časoprostorem:

Časoprostor říká hmotě, jak se pohybovat; hmota říká časoprostoru, jak křivky.

— John Archibald Wheeler, Geons, Black Holes, and Quantum Foam, s. 1 235[3]

Prostoročas také může interagovat sám se sebou (např. Gravitační vlny). Dynamická povaha časoprostoru má celou řadu důsledků.

Dynamická povaha časoprostoru prostřednictvím argument díra, znamená, že teorie je difeomorfismus neměnný. Omezení jsou otiskem v kanonické teorii difeomorfismu invariance čtyřrozměrné teorie. Obsahují také dynamiku teorie, protože Hamiltonián stejně zmizí. Kvantová teorie nemá žádnou explicitní dynamiku; vlnové funkce jsou zničeny omezeními a pozorovatelé Dirac dojíždějí s omezeními, a proto jsou konstanty pohybu. Kuchar zavádí myšlenku „trvalky“ a Rovelli myšlenku „částečné pozorovatelnosti“. Očekává se, že ve fyzických situacích budou některé proměnné teorie hrát roli „času“, ve vztahu k němuž by se vyvíjely další proměnné a definovaly dynamiku relačním způsobem. To naráží na potíže a je to verze „problému času“ v kanonické kvantizaci.[4]

Navrhovaná řešení problému času

Hlavní článek: Několik historie

Kvantová koncepce času se poprvé vynořila z raného výzkumu kvantové gravitace, zejména z práce Bryce DeWitt v 60. letech:[5]

„Jindy jsou jen speciální případy jiných vesmírů.“

Jinými slovy, čas je zapletení fenomén, který umístí všechny stejné hodinové hodnoty (správně připravených hodin - nebo jakýchkoli objektů použitelných jako hodiny) do stejné historie. To nejprve pochopili fyzici Don Page a William Wootters v roce 1983.[6] Navrhli řešení problému času v systémech, jako je obecná relativita, která se nazývá interpretace podmíněných pravděpodobností.[7] Spočívá v podpoře všech proměnných kvantovým operátorům, z nichž jedna je jako hodiny, a kladení otázek podmíněné pravděpodobnosti s ohledem na jiné proměnné. Dospěli k řešení založenému na kvantovém jevu zapletení. Page a Wootters ukázali jak Kvantové zapletení lze použít k měření času.[8]

V roce 2013 provedla na Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) v italském Turíně Ekaterina Moreva společně s Giorgiem Bridou, Marco Gramegnou, Vittoriem Giovannettim, Lorenzem Macconem a Marco Genovese první experimentální test myšlenek Page a Wootters. Potvrdili, že čas je pro vnitřní pozorovatele naléhavým jevem, ale pro vnější pozorovatele vesmíru chybí stejně jako čas Wheeler – DeWittova rovnice předpovídá.[9][10][11]

Konzistentní diskretizační přístup vyvinutý společností Jorge Pullin a Rodolfo Gambini nemají žádná omezení. Jedná se o techniky aproximace mřížky pro kvantovou gravitaci. Pokud v kanonickém přístupu dojde k diskretizaci omezení a pohybových rovnic, výsledné diskrétní rovnice jsou nekonzistentní: nelze je řešit současně. K řešení tohoto problému se používá technika založená na diskretizaci působení teorie a práci s diskrétními pohybovými rovnicemi. Automaticky je zaručeno, že budou konzistentní. Většina tvrdých koncepčních otázek kvantové gravitace souvisí s přítomností omezení v teorii. Konzistentní diskretizované teorie neobsahují tyto koncepční problémy a lze je přímo kvantifikovat, což poskytuje řešení problému času. Je to o něco jemnější než toto. I když bez omezení a s „obecnou evolucí“, jde pouze o diskrétní parametr, který není fyzicky přístupný. Cesta ven je řešena podobným způsobem jako přístup Page – Wooters. Cílem je vybrat jednu z fyzických proměnných jako hodiny a klást relační otázky. Tyto myšlenky, kde jsou hodiny také kvantově mechanické, ve skutečnosti vedly k nové interpretaci kvantové mechaniky - Montevideo výklad kvantové mechaniky.[12][13] Tato nová interpretace řeší problémy s využitím dekoherence prostředí jako řešení problému problém měření v kvantové mechanice odvoláním na základní omezení, kvůli kvantově mechanické povaze hodin, v procesu měření v kvantové mechanice. Tato omezení jsou velmi přirozená v kontextu obecně kovariančních teorií jako kvantové gravitace, kde hodiny musí být brány jako jeden ze stupňů volnosti samotného systému. Rovněž předložili tuto zásadní dekoherenci jako způsob řešení paradox informací o černé díře.[14][15] Za určitých okolností se pole hmoty používá k deparametrizaci teorie a zavedení fyzického hamiltoniánu. To generuje fyzický vývoj času, ne omezení.

Nejprve jsou vyřešena omezení kvantizace omezeného fázového prostoru a poté kvantována. Tento přístup byl po určitou dobu považován za nemožný, protože se zdá, že je nutné nejprve najít obecné řešení Einsteinových rovnic. Avšak s využitím myšlenek zapojených do Dittrichova aproximačního schématu (postaveného na myšlenkách Rovelliho) byl způsob, jak explicitně implementovat, přinejmenším v zásadě, životaschopný kvantovaný fázový prostor.[16]

Avshalom Elitzur a Shahar Dolev tvrdí, že kvantově mechanické experimenty, jako je kvantový lhář[17] poskytnout důkazy o nekonzistentních dějinách a že samotný časoprostor proto může podléhat změnám ovlivňujícím celé dějiny.[18] Elitzur a Dolev také věří, že objektivní plynutí času a relativity lze sladit a že by to vyřešilo mnoho problémů s blokovým vesmírem a konflikt mezi relativitou a kvantovou mechanikou.[19]

Jedno řešení problému času, které navrhl Lee Smolin je, že existuje „hustá přítomnost“ událostí, ve které mohou být dvě události v současnosti kauzálně vzájemně spojené, ale na rozdíl od pohledu blokového vesmíru na čas, ve kterém existuje celý čas věčně.[20] Marina Cortês a Lee Smolin tvrdí, že určité třídy diskrétních dynamických systémů ukazují časovou asymetrii a nevratnost, což odpovídá objektivnímu plynutí času.[21]

Tepelná časová hypotéza

Hlavní články: Tepelná časová hypotéza a termodynamika

Obecně kovariantní teorie nemají představu o významném fyzickém čase, ve kterém se vše vyvine. Není to však nutné pro úplnou formulaci a interpretaci teorie. Dynamické zákony jsou určovány korelacemi, které jsou dostatečné pro vytváření předpovědí. Pak je však zapotřebí mechanismus, který vysvětluje, jak se z nadčasové struktury nakonec vynoří známá představa o čase, aby se stala tak důležitou složkou makroskopického světa, ve kterém žijeme, i naší vědomé zkušenosti.

The tepelná časová hypotéza bylo předloženo jako možné řešení tohoto problému Carlo Rovelli a Alain Connes v klasické i kvantové teorii. Předpokládá, že fyzický časový tok není apriorně daný základní vlastností teorie, ale je makroskopickým rysem termodynamického původu.[22]

Reference

  1. ^ Wolchover, Natalie (1. prosince 2016). „Časový problém kvantové gravitace“. Časopis Quanta.
  2. ^ Folger, Tim (12. června 2007). „Newsflash: Čas nemusí existovat“. Objevit.
  3. ^ John Archibald Wheeler (18. června 2010). Geony, černé díry a kvantová pěna: Život ve fyzice. W. W. Norton. p. 235. ISBN  978-0-393-07948-7.
  4. ^ K. Kuchar, v „Proceedings of the 4th Canadian meeting on Relativity and Relativistic Astrophysics“, editori G. Kunstatter, D. Vincent, J. Williams, World Scientific, Singapore (1992).
  5. ^ David Deutsch (14. dubna 2011). Tkanina reality. Penguin Books Limited. p. 240. ISBN  978-0-14-196961-9.
  6. ^ Deutsch, David (2011). Začátek nekonečna: Vysvětlení, která mění svět. Penguin UK. p. 299. ISBN  9780141969695.
  7. ^ Page, Don N .; Wootters, William K. (15. června 1983). "Evoluce bez evoluce: Dynamika popsaná stacionárními pozorovatelemi". Phys. Rev. D. 27: 2885. Bibcode:1983PhRvD..27.2885P. doi:10.1103 / PhysRevD.27.2885.
  8. ^ Aron, Jacob (25. října 2013). „Zapletený vesmír hraček ukazuje, že čas může být iluzí“. Archivovány od originál dne 18. 10. 2016.
  9. ^ „Kvantový experiment ukazuje, jak čas„ vyvstává “ze zapletení“. Blog Fyzika arXiv. 23. října 2013. Archivovány od originál dne 3. 6. 2017.
  10. ^ Moreva, Ekaterina; Brida, Giorgio; Gramegna, Marco; Giovannetti, Vittorio; Maccone, Lorenzo; Genovese, Marco (20. května 2014). „Čas od kvantového zapletení: experimentální ilustrace“. Fyzický přehled A. 89 (5). arXiv:1310.4691. Bibcode:2014PhRvA..89e2122M. doi:10.1103 / PhysRevA.89.052122.
  11. ^ Moreva, Ekaterina; Gramegna, Marco; Brida, Giorgio; Maccone, Lorenzo; Genovese, Marco (16. listopadu 2017). "Kvantový čas: Experimentální multorelační korelace". Fyzický přehled D. 96 (5). arXiv:1710.00707. Bibcode:2017PhRvD..96j2005M. doi:10.1103 / PhysRevD.96.102005.
  12. ^ Gambini, Rodolfo; Pullin, Jorge (1. června 2009). „Montevidská interpretace kvantové mechaniky: často kladené otázky“. Journal of Physics: Conference Series. 174: 012003. arXiv:0905.4402. Bibcode:2009JPhCS.174a2003G. doi:10.1088/1742-6596/174/1/012003.
  13. ^ Gambini, Rodolfo; Garcá-Pintos, Luis Pedro; Pullin, Jorge (listopad 2011). „Axiomatická formulace montevidského výkladu kvantové mechaniky“. Studie historie a filozofie vědy Část B: Studie historie a filozofie moderní fyziky. 42 (4): 256–263. arXiv:1002.4209. Bibcode:2011SHPMP..42..256G. doi:10.1016 / j.shpsb.2011.10.002.
  14. ^ Gambini, Rodolfo; Porto, Rafael A .; Pullin, Jorge (prosinec 2004). "Informační skládka s černými dírami ve relačním vesmíru". International Journal of Modern Physics D. 13 (10): 2315–2320. arXiv:hep-th / 0405183. Bibcode:2004IJMPD..13.2315G. doi:10.1142 / S0218271804006383.
  15. ^ Gambini, Rodolfo; Porto, Rafael A .; Pullin, Jorge (6. prosince 2004). "Realistické hodiny, univerzální dekherence a paradox informací o černé díře". Dopisy o fyzické kontrole. 93 (24). arXiv:hep-th / 0406260. Bibcode:2004PhRvL..93x0401G. doi:10.1103 / PhysRevLett.93.240401.
  16. ^ Thiemann, T (21. února 2006). "Snížená kvantizace fázového prostoru a pozorovatelnost Dirac". Klasická a kvantová gravitace. 23 (4): 1163–1180. arXiv:gr-qc / 0411031. Bibcode:2006CQGra..23.1163T. doi:10.1088/0264-9381/23/4/006.
  17. ^ Elitzur, A. C., & Dolev, S. (2005). „Kvantové jevy v nové teorii času“. V kvantové mechanice Quo vadis? (str. 325-349). Springer, Berlín, Heidelberg.
  18. ^ Elitzur, A. C., & Dolev, S. (2003). „Je v T více?. In The Nature of Time: Geometry, Physics and Perception (str. 297-306). Springer, Dordrecht.
  19. ^ Elitzur, A. C., & Dolev, S. (2005). „Stát se mostem mezi kvantovou mechanikou a relativitou“. In Endophysics, Time, Quantum And The Subjective: (With CD-ROM) (pp. 589-606).
  20. ^ Smolin, L (2015). „Časový naturalismus“. Studie historie a filozofie vědy Část B: Studie historie a filozofie moderní fyziky. 52: 86–102. arXiv:1805.12468. doi:10.1016 / j.shpsb.2015.03.005.
  21. ^ Cortês, M .; Smolin, L. (2018). "Reverzace nevratného: od mezních cyklů po vznikající časovou symetrii". Fyzický přehled D. 97 (2): 026004. arXiv:1703.09696. doi:10.1103 / physrevd.97.026004.
  22. ^ Connes, A; Rovelli, C (1. prosince 1994). „Von Neumannovy algebrické automorfismy a vztah časově-termodynamiky v obecně kovariančních kvantových teoriích“ (PDF). Klasická a kvantová gravitace. 11 (12): 2899–2917. arXiv:gr-qc / 9406019. Bibcode:1994CQGra..11.2899C. doi:10.1088/0264-9381/11/12/007.

Další čtení