Ajan arvoitus

Aika on aina ollut ongelma. Ensinnäkin loistavimpienkin mielien oli vaikea ymmärtää, mitä aika todella oli. Nykyään, kun meistä näyttää siltä, ​​että ymmärrämme tämän jossain määrin, monet uskovat, että ilman sitä, ainakin perinteisessä mielessä, se on mukavampaa.

"" Kirjoittaja Isaac Newton. Hän uskoi, että aika voidaan todella ymmärtää vain matemaattisesti. Hänelle yksiulotteinen absoluuttinen aika ja maailmankaikkeuden kolmiulotteinen geometria olivat objektiivisen todellisuuden itsenäisiä ja erillisiä puolia, ja jokaisella absoluuttisen ajan hetkellä kaikki universumin tapahtumat tapahtuivat samanaikaisesti.

Erityisellä suhteellisuusteoriallaan Einstein poisti samanaikaisen ajan käsitteen. Hänen käsityksensä mukaan samanaikaisuus ei ole absoluuttinen suhde tapahtumien välillä: se, mikä on samanaikaisesti yhdessä viitekehyksessä, ei välttämättä ole samanaikaisesti toisessa.

Esimerkki Einsteinin käsityksestä ajasta on kosmisista säteistä peräisin oleva myoni. Se on epävakaa subatominen hiukkanen, jonka keskimääräinen elinikä on 2,2 mikrosekuntia. Se muodostuu yläilmakehässä, ja vaikka odotamme sen kulkevan vain 660 metriä (valon nopeudella 300 000 km/s) ennen hajoamista, aikalaajenemisvaikutukset mahdollistavat kosmisten myonien kulkevan yli 100 kilometriä maan pinnalle. ja kauemmas. . Vertailukehyksessä Maan kanssa myonit elävät pidempään suuren nopeudensa vuoksi.

Vuonna 1907 Einsteinin entinen opettaja Hermann Minkowski esitteli tilan ja ajan nimellä. Avaruus-aika käyttäytyy kuin kohtaus, jossa hiukkaset liikkuvat universumissa suhteessa toisiinsa. Tämä aika-avaruuden versio oli kuitenkin epätäydellinen (Katso myös: ). Se ei sisältänyt painovoimaa ennen kuin Einstein esitteli yleisen suhteellisuusteorian vuonna 1916. Aika-avaruuskangas on jatkuvaa, sileää, vääntynyttä ja muotoaan aineen ja energian läsnäolon vaikutuksesta (2). Painovoima on maailmankaikkeuden kaarevuus, jonka aiheuttavat massiiviset kappaleet ja muut energiamuodot ja joka määrää esineiden kulkeman polun. Tämä kaarevuus on dynaaminen, liikkuu esineiden liikkuessa. Kuten fyysikko John Wheeler sanoo, "Avaruus-aika ottaa massan hallintaansa kertomalla sille, kuinka se liikkuu, ja massa ottaa haltuunsa avaruuden kertomalla sille, kuinka se kaareutuu."

2. Einsteinin aika-avaruus

Aika ja kvanttimaailma

Yleinen suhteellisuusteoria pitää ajan kulumista jatkuvana ja suhteellisena ja pitää ajan kulumista universaalina ja absoluuttisena valitussa siivussa. 60-luvulla onnistunut yritys yhdistää aiemmin yhteensopimattomia ideoita, kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa johti ns. Wheeler-DeWitt-yhtälöön, askeleen kohti teoriaa. kvanttipainovoima. Tämä yhtälö ratkaisi yhden ongelman, mutta loi toisen. Aika ei näytä osaa tässä yhtälössä. Tämä on johtanut suureen kiistaan ​​fyysikkojen keskuudessa, jota he kutsuvat ajan ongelmaksi.

Carlo Rovelli (3), modernilla italialaisella teoreettisella fyysikolle on selvä mielipide tästä asiasta. ", hän kirjoitti kirjassa "Ajan salaisuus".

3. Carlo Rovelli ja hänen kirjansa

Ne, jotka ovat samaa mieltä Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan kanssa, uskovat, että kvanttiprosessit noudattavat Schrödingerin yhtälöä, joka on ajallisesti symmetrinen ja syntyy funktion aallon romahtamisesta. Entropian kvanttimekaanisessa versiossa entropian muuttuessa ei virtaa lämpöä, vaan tietoa. Jotkut kvanttifysiikot väittävät löytäneensä ajan nuolen alkuperän. He sanovat, että energia haihtuu ja esineet asettuvat kohdakkain, koska alkuainehiukkaset sitoutuvat toisiinsa, kun ne ovat vuorovaikutuksessa "kvanttikietoutumisen" muodossa. Einstein yhdessä kollegoidensa Podolskyn ja Rosenin kanssa piti tätä käyttäytymistä mahdottomaksi, koska se oli ristiriidassa paikallisen realistisen kausaalisen näkemyksen kanssa. Kuinka kaukana toisistaan ​​sijaitsevat hiukkaset voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa kerralla, he kysyivät.

Vuonna 1964 hän kehitti kokeellisen testin, joka kumosi Einsteinin väitteet niin sanotuista piilomuuttujista. Tästä syystä yleisesti uskotaan, että tieto kulkee sotkeutuneiden hiukkasten välillä, mahdollisesti nopeammin kuin valo voi kulkea. Sikäli kuin tiedämme, aikaa ei ole olemassa sotkeutuneita hiukkasia (4).

Eli Megidishin johtama Jerusalemin heprealaisen yliopiston fyysikoiden ryhmä raportoi vuonna 2013 onnistuneensa sotkemaan yhteen fotoneja, jotka eivät olleet olemassa ajoissa. Ensin, ensimmäisessä vaiheessa he loivat kietoutuvan fotoniparin, 1-2. Pian sen jälkeen he mittasivat fotonin 1 polarisaation (ominaisuus, joka kuvaa valon värähtelysuuntaa) - siten "tappasi" sen (vaihe II). Fotoni 2 lähetettiin matkalle ja muodostui uusi sotkeutunut pari 3-4 (vaihe III). Fotoni 3 mitattiin sitten yhdessä liikkuvan fotonin 2 kanssa siten, että takertumiskerroin "muuttui" vanhoista pareista (1-2 ja 3-4) uuteen yhdistettyyn 2-3:een (vaihe IV). Jonkin ajan kuluttua (vaihe V) mitataan ainoan elossa olevan fotonin 4 polariteetti ja tuloksia verrataan kauan kuolleen fotonin 1 polarisaatioon (takaisin vaiheessa II). Tulos? Tiedot paljastivat kvanttikorrelaatioiden olemassaolon fotonien 1 ja 4 välillä, "ajallisesti ei-paikallisia". Tämä tarkoittaa, että kietoutuminen voi tapahtua kahdessa kvanttijärjestelmässä, jotka eivät ole koskaan olleet rinnakkain ajassa.

Megiddish ja hänen kollegansa eivät voi muuta kuin spekuloida tulosten mahdollisia tulkintoja. Ehkä fotonin 1 polarisaation mittaus vaiheessa II ohjaa jotenkin 4:n tulevaa polarisaatiota, tai fotonin 4 polarisaation mittaus vaiheessa V kirjoittaa jotenkin uudelleen fotonin 1 aiemman polarisaatiotilan. Sekä eteenpäin että taaksepäin kvanttikorrelaatiot leviävät kausaaliseen tyhjyyteen yhden fotonin kuoleman ja toisen syntymän välillä.

Mitä tämä tarkoittaa makromittakaavassa? Mahdollisista seurauksista keskustelevat tutkijat puhuvat mahdollisuudesta, että tähtien valohavaintomme sanelivat jotenkin fotonien polarisaation 9 miljardia vuotta sitten.

Amerikkalainen ja kanadalainen fyysikkopari, Matthew S. Leifer Kalifornian Chapmanin yliopistosta ja Matthew F. Pusey Perimeter Institute for Theoretical Physicsista Ontariossa, huomasivat muutama vuosi sitten, että jos emme pidä kiinni siitä, että Einstein. Hiukkaselle tehdyt mittaukset voivat heijastua menneisyyteen ja tulevaisuuteen, mikä tulee olemaan merkityksetöntä tässä tilanteessa. Muotoiltuaan uudelleen joitakin perusoletuksia tiedemiehet kehittivät Bellin lauseeseen perustuvan mallin, jossa avaruus muunnetaan ajalla. Heidän laskelmansa osoittavat, miksi, olettaen, että aika on aina edessä, kompastelemme ristiriitaisuuksiin.

Carl Rovellin mukaan ihmisen aikakäsitys liittyy erottamattomasti lämpöenergian käyttäytymiseen. Miksi tiedämme vain menneisyyden emmekä tulevaisuutta? Avain tiedemiehen mukaan yksisuuntainen lämmön virtaus lämpimistä esineistä kylmempiin. Kuumaan kahvikuppiin heitetty jääpala jäähdyttää kahvin. Mutta prosessi on peruuttamaton. Ihminen eräänlaisena "termodynaamisena koneena" seuraa tätä ajan nuolta eikä pysty ymmärtämään muuta suuntaa. "Mutta jos tarkastelen mikroskooppista tilaa", kirjoittaa Rovelli, "ero menneisyyden ja tulevaisuuden välillä katoaa... asioiden alkeellisessa kielioppissa ei ole eroa syyn ja seurauksen välillä."

Kvanttiosuuksina mitattu aika

Tai ehkä aika voidaan kvantisoida? Äskettäin ilmaantunut uusi teoria ehdottaa, että pienin ajateltavissa oleva aikaväli ei voi ylittää sekunnin miljoonasosaa miljardisosasta. Teoria noudattaa konseptia, joka on ainakin kellon perusominaisuus. Teoreetikkojen mukaan tämän päättelyn seuraukset voivat auttaa luomaan "kaiken teorian".

Kvanttiajan käsite ei ole uusi. Kvanttigravitaation malli ehdottaa, että aika kvantisoidaan ja että sillä on tietty tikitusnopeus. Tämä tikitysjakso on universaali minimiyksikkö, eikä mikään aikaulottuvuus voi olla tätä pienempi. Ikään kuin maailmankaikkeuden perustalla olisi kenttä, joka määrää kaiken siinä olevan vähimmäisliikkeen nopeuden antaen massaa muille hiukkasille. Tämän universaalin kellon tapauksessa "sen sijaan, että se antaisi massaa, se antaa aikaa", selittää eräs fyysikko, joka ehdottaa ajan kvantisointia, Martin Bojowald.

Simuloimalla tällaista universaalia kelloa hän ja hänen kollegansa Pennsylvania State Collegessa Yhdysvalloissa osoittivat, että se vaikuttaisi keinotekoisiin atomikelloihin, jotka käyttävät atomivärähtelyä tuottaakseen tarkimmat tunnetut tulokset. ajan mittaukset. Tämän mallin mukaan atomikello (5) ei joskus synkronoitunut yleiskellon kanssa. Tämä rajoittaisi ajan mittauksen tarkkuuden yhteen atomikelloon, mikä tarkoittaa, että kaksi erilaista atomikelloa ei ehkä vastaa kuluneen jakson pituutta. Koska parhaat atomikellomme ovat yhdenmukaisia ​​toistensa kanssa ja voivat mitata tikit 10–19 sekuntiin tai sekunnin miljardisosan kymmenesosaan, perusaikayksikkö ei voi olla yli 10–33 sekuntia. Nämä ovat johtopäätökset tätä teoriaa käsittelevästä artikkelista, joka ilmestyi kesäkuussa 2020 Physical Review Letters -lehdessä.

5. Lutetium-pohjainen atomikello Singaporen kansallisessa yliopistossa.

Testaa, onko tällainen perusaikayksikkö olemassa, ylittää nykyiset teknologiset kykymme, mutta näyttää silti helpommalta kuin Planck-ajan mittaaminen, joka on 5,4 × 10–44 sekuntia.

Perhosefekti ei toimi!

Ajan poistamisella kvanttimaailmasta tai sen kvantisoinnilla voi olla mielenkiintoisia seurauksia, mutta olkaamme rehellisiä, suosittua mielikuvitusta ohjaa jokin muu, nimittäin aikamatkailu.

Noin vuosi sitten Connecticutin yliopiston fysiikan professori Ronald Mallett kertoi CNN:lle kirjoittaneensa tieteellisen yhtälön, jota voitaisiin käyttää perustana reaaliaikainen kone. Hän jopa rakensi laitteen havainnollistamaan teorian keskeistä elementtiä. Hän uskoo sen olevan teoriassa mahdollista kääntää ajan silmukaksimikä mahdollistaisi aikamatkailun menneisyyteen. Hän jopa rakensi prototyypin, joka osoittaa, kuinka laserit voivat auttaa saavuttamaan tämän tavoitteen. On huomattava, että Mallettin työtoverit eivät ole vakuuttuneita siitä, että hänen aikakoneensa koskaan toteutuisi. Jopa Mallett myöntää, että hänen ajatuksensa on tässä vaiheessa täysin teoreettinen.

Vuoden 2019 lopulla New Scientist raportoi, että fyysikot Barak Shoshani ja Jacob Hauser Perimeter Institutesta Kanadasta kuvasivat ratkaisun, jossa ihminen voisi teoriassa matkustaa Uutisvirta toiselle, ohimennen reiän läpi aika-avaruus tai tunneli, kuten sanotaan, "matemaattisesti mahdollista". Tämä malli olettaa, että on olemassa erilaisia ​​rinnakkaisia ​​universumeja, joissa voimme matkustaa, ja siinä on vakava haittapuoli - aikamatkailu ei vaikuta matkustajien omaan aikajanaan. Tällä tavoin voit vaikuttaa muihin jatkumoihin, mutta se, josta matkan aloitimme, pysyy ennallaan.

Ja koska olemme avaruus-aika-jatkumuksessa, niin sen avulla kvanttitietokone Aikamatkailun simuloimiseksi tutkijat osoittivat äskettäin, että kvanttimaailmassa ei ole "perhonen vaikutusta", kuten monissa tieteiselokuvissa ja kirjoissa nähdään. Kokeissa kvanttitasolla vaurioituneena, näennäisesti lähes muuttumattomana, ikään kuin todellisuus parantaisi itsensä. Aiheesta ilmestyi artikkeli tänä kesänä Psysical Review Lettersissä. "Kvanttitietokoneessa ei ole ongelmia simuloida päinvastaista evoluutiota ajassa tai simuloida prosessia siirtää prosessi takaisin menneisyyteen", selittää Mikolay Sinitsyn, teoreettinen fyysikko Los Alamos National Laboratorysta. tutkimuksen kirjoittaja. Tehdä työtä. "Voimme todella nähdä, mitä monimutkaiselle kvanttimaailmalle tapahtuu, jos palaamme ajassa taaksepäin, lisäämme vahinkoa ja palaamme takaisin. Havaitsemme, että ikimuistoinen maailmamme on säilynyt, mikä tarkoittaa, että kvanttimekaniikassa ei ole perhosvaikutusta."

Tämä on iso isku meille, mutta myös hyvä uutinen meille. Avaruus-ajan jatkumo säilyttää eheyden, eikä anna pienten muutosten tuhota sitä. Miksi? Tämä on mielenkiintoinen kysymys, mutta hieman eri aihe kuin aika itse.