Aja mõistatus

Aeg on alati olnud probleem. Esiteks oli isegi kõige säravamatel mõtetel raske aru saada, mis aeg tegelikult on. Tänapäeval, kui meile tundub, et me sellest mingil määral aru saame, usuvad paljud, et ilma selleta on vähemalt traditsioonilises mõttes mugavam.

"" Kirjutas Isaac Newton. Ta uskus, et aega saab tõeliselt mõista ainult matemaatiliselt. Tema jaoks olid ühemõõtmeline absoluutaeg ja Universumi kolmemõõtmeline geomeetria sõltumatud ja eraldiseisvad objektiivse reaalsuse aspektid ning absoluutse aja igal hetkel toimusid kõik sündmused Universumis üheaegselt.

Oma erirelatiivsusteooriaga eemaldas Einstein samaaegse aja mõiste. Tema idee järgi ei ole samaaegsus sündmuste absoluutne suhe: see, mis on samaaegselt ühes tugiraamistikus, ei pruugi olla samaaegselt teises.

Einsteini aja mõistmise näide on kosmilistest kiirtest pärinev müüon. See on ebastabiilne subatomiline osake, mille keskmine eluiga on 2,2 mikrosekundit. See moodustub atmosfääri ülemistes kihtides ja kuigi me eeldame, et see läbib enne lagunemist vaid 660 meetrit (valguse kiirusel 300 000 km/s), võimaldavad aja dilatatsiooniefektid kosmilistel müüonitel liikuda Maa pinnale üle 100 kilomeetri. ja edasi. . Võrdluses Maaga elavad müüonid oma suure kiiruse tõttu kauem.

1907. aastal võttis Einsteini endine õpetaja Hermann Minkowski kasutusele ruumi ja aja kui. Aegruum käitub nagu stseen, kus osakesed liiguvad universumis üksteise suhtes. See aegruumi versioon oli aga mittetäielik (Vaata ka: ). See ei hõlmanud gravitatsiooni enne, kui Einstein 1916. aastal üldrelatiivsusteooria kasutusele võttis. Aegruumi kangas on pidev, sile, kõverdunud ja deformeerunud aine ja energia olemasolu tõttu (2). Gravitatsioon on universumi kumerus, mille põhjustavad massiivsed kehad ja muud energiavormid, mis määrab objektide teekonna. See kumerus on dünaamiline, liigub objektide liikumisel. Nagu ütleb füüsik John Wheeler: "Aegruum võtab massi üle, öeldes talle, kuidas liikuda, ja mass võtab üle aegruumi, öeldes talle, kuidas kõverduda."

2. Einsteini aegruum

Aeg ja kvantmaailm

Üldrelatiivsusteooria peab aja kulgu pidevaks ja suhteliseks ning aja kulgu universaalseks ja absoluutseks valitud lõigul. 60. aastatel viis edukas katse ühendada varem kokkusobimatud ideed, kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria nn Wheeler-DeWitti võrrandini, mis on samm teooria poole. kvantgravitatsioon. See võrrand lahendas ühe probleemi, kuid lõi teise. Aeg ei mängi selles võrrandis mingit rolli. See on põhjustanud füüsikute seas suure poleemika, mida nad nimetavad aja probleemiks.

Carlo Rovelli (3) on kaasaegsel Itaalia teoreetilisel füüsikul selles küsimuses kindel arvamus. ", kirjutas ta raamatus "Aja saladus".

3. Carlo Rovelli ja tema raamat

Need, kes nõustuvad kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendusega, usuvad, et kvantprotsessid järgivad Schrödingeri võrrandit, mis on ajas sümmeetriline ja tuleneb funktsiooni laine kokkuvarisemisest. Entroopia kvantmehaanilises versioonis ei voola entroopia muutumisel mitte soojus, vaid informatsioon. Mõned kvantfüüsikud väidavad, et on leidnud aja noole päritolu. Nad ütlevad, et energia hajub ja objektid joonduvad, kuna elementaarosakesed seostuvad omavahel interakteerudes "kvantpõimumise" vormis. Einstein koos oma kolleegide Podolsky ja Roseniga leidis, et selline käitumine on võimatu, kuna see on vastuolus kohaliku realistliku arusaamaga põhjuslikust seosest. Kuidas saavad üksteisest kaugel asuvad osakesed üksteisega korraga suhelda, küsisid nad.

1964. aastal töötas ta välja eksperimentaalse testi, mis lükkas ümber Einsteini väited niinimetatud peidetud muutujate kohta. Seetõttu on levinud arvamus, et teave liigub takerdunud osakeste vahel potentsiaalselt kiiremini kui valgus. Meile teadaolevalt aega ei eksisteeri takerdunud osakesed (4).

Jeruusalemma Eli Megidishi juhitud Heebrea Ülikooli füüsikute rühm teatas 2013. aastal, et neil õnnestus omavahel kokku segada footonid, mis õigel ajal koos eksisteerinud ei olnud. Esiteks lõid nad esimese sammuna takerdunud footonipaari, 1-2. Varsti pärast seda mõõtsid nad footoni 1 polarisatsiooni (omadus, mis kirjeldab valguse võnkumise suunda) - seeläbi "tappes" selle (II etapp). Footon 2 saadeti teekonnale ja tekkis uus takerdunud paar 3-4 (III samm). Seejärel mõõdeti footon 3 koos liikuva footoniga 2 nii, et takerdumiskoefitsient "muutus" vanadest paaridest (1-2 ja 3-4) uueks kombineeritud 2-3-ks (samm IV). Mõni aeg hiljem (V etapp) mõõdetakse ainsa säilinud footoni 4 polaarsust ja võrreldakse tulemusi ammu surnud footoni 1 polarisatsiooniga (tagasi II staadiumis). Tulemus? Andmed näitasid kvantkorrelatsiooni olemasolu footonite 1 ja 4 vahel, "ajaliselt mittelokaalsed". See tähendab, et takerdumine võib toimuda kahes kvantsüsteemis, mis pole kunagi ajas koos eksisteerinud.

Megiddish ja tema kolleegid ei saa muud üle kui spekuleerida oma tulemuste võimalike tõlgenduste üle. Võib-olla suunab footoni 1 polarisatsiooni mõõtmine etapis II kuidagi 4 tulevast polarisatsiooni või kirjutab footoni 4 polarisatsiooni mõõtmine etapis V kuidagi üle footoni 1 varasema polarisatsiooni oleku. Nii edasi- kui ka tagasisuunas on kvant korrelatsioonid levivad põhjuslikku tühimikku ühe footoni surma ja teise sündimise vahel.

Mida see makroskaalas tähendab? Teadlased, arutledes võimalike tagajärgede üle, räägivad võimalusest, et meie tähevalguse vaatlused dikteerisid 9 miljardit aastat tagasi footonite polarisatsiooni.

Ameerika ja Kanada füüsikupaar Matthew S. Leifer Californias Chapmani ülikoolist ja Matthew F. Pusey Ontarios Perimeter Institute for Teoreetilisest Füüsika Instituudist märkasid paar aastat tagasi, et kui me ei pea kinni tõsiasjast, et Einstein. Osakese peal tehtud mõõtmised võivad peegelduda minevikus ja tulevikus, mis muutub antud olukorras ebaoluliseks. Pärast mõningate põhieelduste ümbersõnastamist töötasid teadlased välja Belli teoreemil põhineva mudeli, milles ruum muudetakse ajaks. Nende arvutused näitavad, miks, eeldades, et aeg on alati ees, komistame vastuolude otsa.

Carl Rovelli sõnul on meie inimese ajataju lahutamatult seotud soojusenergia käitumisega. Miks me teame ainult minevikku, mitte tulevikku? Teadlase sõnul on võti, soojuse ühesuunaline liikumine soojematelt objektidelt külmematesse. Kuuma kohvitassi sisse visatud jääkuubik jahutab kohvi. Kuid protsess on pöördumatu. Inimene kui omamoodi "termodünaamiline masin" järgib seda ajanoolt ega suuda mõista teist suunda. "Aga kui ma jälgin mikroskoopilist olekut," kirjutab Rovelli, "kaob erinevus mineviku ja tuleviku vahel ... asjade elementaarses grammatikas pole põhjust ja tagajärge vahet."

Kvantfraktsioonides mõõdetud aeg

Või äkki saab aega kvantifitseerida? Hiljuti esile kerkinud uus teooria viitab sellele, et väikseim mõeldav ajaintervall ei tohi ületada ühte miljardindikku miljardist sekundist. Teooria järgib kontseptsiooni, mis on vähemalt kella põhiomadus. Teoreetikute arvates võivad selle arutluse tagajärjed aidata luua "teooriat kõigest".

Kvantaja mõiste ei ole uus. Kvantgravitatsiooni mudel teeb ettepaneku, et aeg oleks kvantifitseeritud ja sellel oleks teatud märkimissagedus. See tiksumise tsükkel on universaalne miinimumühik ja ükski ajamõõde ei saa olla sellest väiksem. Näib, nagu oleks universumi vundamendis väli, mis määrab kõige selles oleva minimaalse liikumiskiiruse, andes massi teistele osakestele. Selle universaalse kella puhul "massi andmise asemel annab see aega," selgitab üks füüsik, kes teeb ettepaneku aja kvantifitseerida, Martin Bojowald.

Taolise universaalse kella modelleerimisega näitas ta koos kolleegidega USA-s Pennsylvania osariigi kolledžist, et see muudaks kunstlikke aatomkellasid, mis kasutavad aatomvibratsiooni abil kõige täpsemaid teadaolevaid tulemusi. aja mõõtmised. Selle mudeli järgi ei sünkroniseerunud aatomkell (5) mõnikord universaalkellaga. See piiraks aja mõõtmise täpsust ühe aatomkellaga, mis tähendab, et kaks erinevat aatomkella ei pruugi lõppenud perioodi pikkusega ühtida. Arvestades, et meie parimad aatomkellad on üksteisega kooskõlas ja suudavad mõõta kuni 10–19 sekundit või ühe kümnendiku miljardindiku sekundist, ei saa aja põhiühik olla pikem kui 10–33 sekundit. Need on järeldused seda teooriat käsitlevast artiklist, mis ilmus 2020. aasta juunis ajakirjas Physical Review Letters.

5. Singapuri riikliku ülikooli luteetiumil põhinev aatomkell.

Sellise aja baasühiku olemasolu testimine ületab meie praegused tehnoloogilised võimalused, kuid tundub siiski kättesaadavam kui Plancki aja mõõtmine, mis on 5,4 × 10–44 sekundit.

Liblikaefekt ei tööta!

Aja kvantmaailmast eemaldamisel või kvantiseerimisel võivad olla huvitavad tagajärjed, kuid olgem ausad, populaarset kujutlusvõimet juhib hoopis midagi muud, nimelt ajas rändamine.

Umbes aasta tagasi ütles Connecticuti ülikooli füüsikaprofessor Ronald Mallett CNN-ile, et on kirjutanud teadusliku võrrandi, mida saab kasutada reaalajas masin. Ta ehitas isegi seadme teooria põhielemendi illustreerimiseks. Ta usub, et see on teoreetiliselt võimalik aja keeramine ahelaksmis võimaldaks ajas rännata minevikku. Ta ehitas isegi prototüübi, mis näitab, kuidas laserid aitavad seda eesmärki saavutada. Tuleb märkida, et Malletti kolleegid ei ole veendunud, et tema ajamasin kunagi teoks saab. Isegi Mallett tunnistab, et tema idee on praegu täiesti teoreetiline.

2019. aasta lõpus teatas New Scientist, et füüsikud Barak Shoshani ja Jacob Hauser Kanadas asuvast Perimeter Institute'ist kirjeldasid lahendust, mille kohaselt saaks inimene teoreetiliselt ühest kohast reisida. uudistevoog teisele, möödudes läbi augu sisse aegruum või tunnel, nagu öeldakse, "matemaatiliselt võimalik". See mudel eeldab, et on olemas erinevad paralleeluniversumid, milles saame reisida, ja sellel on tõsine puudus – ajas rändamine ei mõjuta reisijate enda ajajoont. Nii saate mõjutada teisi kontiinuume, kuid see, millest me teekonda alustasime, jääb muutumatuks.

Ja kuna me oleme aegruumi kontinuumis, siis abiga kvantarvuti Ajas rändamise simuleerimiseks tõestasid teadlased hiljuti, et kvantvaldkonnas puudub "liblikaefekt", nagu on näha paljudes ulmefilmides ja raamatutes. Katsetes kvanttasandil kahjustatud, näiliselt peaaegu muutumatuna, justkui paraneks reaalsus ise. Selleteemaline artikkel ilmus sel suvel ajakirjas Psysical Review Letters. "Kvantarvutis pole probleeme ei vastupidise evolutsiooni simuleerimisega ajas ega protsessi simuleerimisega, mis viib protsessi tagasi minevikku," selgitas Los Alamose riikliku labori teoreetiline füüsik Mikolay Sinitsyn ja kaastöötaja. uurimuse autor. Töö. "Me näeme tõesti, mis juhtub keerulise kvantmaailmaga, kui läheme ajas tagasi, lisame kahju ja läheme tagasi. Leiame, et meie ürgmaailm on säilinud, mis tähendab, et kvantmehaanikas puudub liblikaefekt.

See on meile suur löök, aga ka hea uudis meile. Ajaruumi kontiinum säilitab terviklikkuse, laskmata väikestel muutustel seda hävitada. Miks? See on huvitav küsimus, kuid veidi erinev teema kui aeg ise.