Hádanka času

Čas byl vždy problém. Za prvé, i pro ty nejskvělejší mozky bylo obtížné pochopit, co to vlastně čas je. Dnes, kdy se nám zdá, že tomu do jisté míry rozumíme, mnozí věří, že bez toho, alespoň v tradičním slova smyslu, to bude pohodlnější.

"" Napsal Isaac Newton. Věřil, že čas lze skutečně pochopit pouze matematicky. Jednorozměrný absolutní čas a trojrozměrná geometrie Vesmíru pro něj byly nezávislé a oddělené aspekty objektivní reality a v každém okamžiku absolutního času se všechny události ve Vesmíru odehrávaly současně.

Einstein svou speciální teorií relativity odstranil koncept simultánního času. Podle jeho myšlenky simultánnost není absolutní vztah mezi událostmi: co je současně v jednom referenčním rámci, nemusí být nutně současně v jiném.

Příkladem Einsteinova chápání času je mion z kosmického záření. Je to nestabilní subatomární částice s průměrnou životností 2,2 mikrosekundy. Tvoří se v horních vrstvách atmosféry, a přestože očekáváme, že urazí pouze 660 metrů (při rychlosti světla 300 000 km/s), než se rozpadne, efekty dilatace času umožňují kosmickým mionům urazit přes 100 kilometrů k zemskému povrchu. a dál. . V referenční soustavě se Zemí žijí miony déle díky své vysoké rychlosti.

V roce 1907 zavedl Einsteinův bývalý učitel Hermann Minkowski prostor a čas jako. Časoprostor se chová jako scéna, ve které se částice pohybují ve vesmíru vůči sobě navzájem. Tato verze časoprostoru však byla neúplná (viz také: ). Gravitaci nezahrnoval, dokud Einstein v roce 1916 nezavedl obecnou relativitu. Tkanina časoprostoru je spojitá, hladká, pokřivená a deformovaná přítomností hmoty a energie (2). Gravitace je zakřivení vesmíru způsobené masivními tělesy a jinými formami energie, které určuje cestu, kterou se objekty ubírají. Toto zakřivení je dynamické, pohybuje se s pohybem objektů. Jak říká fyzik John Wheeler: "Prostor přebírá hmotu tím, že jí říká, jak se má pohybovat, a hmota přebírá časoprostor tím, že jí říká, jak se má zakřivovat."

2. Einsteinův časoprostor

Čas a kvantový svět

Obecná teorie relativity považuje běh času za spojitý a relativní a běh času považuje za univerzální a absolutní ve vybraném řezu. V 60. letech vedl úspěšný pokus o spojení dříve neslučitelných myšlenek, kvantové mechaniky a obecné teorie relativity k tomu, co je známé jako Wheeler-DeWittova rovnice, krok směrem k teorii kvantová gravitace. Tato rovnice vyřešila jeden problém, ale vytvořila další. Čas v této rovnici nehraje žádnou roli. To vedlo mezi fyziky k velké kontroverzi, kterou nazývají problémem času.

Carlo Rovelli (3), moderní italský teoretický fyzik má na tuto věc jednoznačný názor. “, napsal v knize „Tajemství času“.

3. Carlo Rovelli a jeho kniha

Ti, kteří souhlasí s kodaňskou interpretací kvantové mechaniky, věří, že kvantové procesy se řídí Schrödingerovou rovnicí, která je symetrická v čase a vzniká zhroucením vlny funkce. V kvantově mechanické verzi entropie, když se entropie mění, neproudí teplo, ale informace. Někteří kvantoví fyzici tvrdí, že našli původ šípu času. Říká se, že energie se rozptýlí a objekty se zarovnají, protože elementární částice se vážou, když interagují ve formě „kvantového zapletení“. Einstein spolu se svými kolegy Podolským a Rosenem považovali takové chování za nemožné, protože odporovalo místnímu realistickému pohledu na příčinnou souvislost. Jak se mohou částice umístěné daleko od sebe najednou vzájemně ovlivňovat, zeptali se.

V roce 1964 vyvinul experimentální test, který vyvrátil Einsteinova tvrzení o takzvaných skrytých proměnných. Proto se široce věří, že informace cestují mezi zapletenými částicemi, potenciálně rychleji, než se může pohybovat světlo. Pokud víme, čas neexistuje pro zapletené částice (4).

Skupina fyziků na Hebrejské univerzitě pod vedením Eliho Megidishe v Jeruzalémě v roce 2013 oznámila, že se jim podařilo zamotat fotony, které spolu v čase neexistovaly. Nejprve v prvním kroku vytvořili propletený pár fotonů, 1-2. Krátce nato změřili polarizaci fotonu 1 (vlastnost, která popisuje směr, kterým světlo kmitá) – a tím jej „zabili“ (fáze II). Foton 2 byl poslán na cestu a byl vytvořen nový zapletený pár 3-4 (krok III). Foton 3 byl poté změřen spolu s putujícím fotonem 2 takovým způsobem, že se koeficient zapletení "změnil" ze starých párů (1-2 a 3-4) na nový kombinovaný 2-3 (krok IV). O nějaký čas později (stádium V) se změří polarita jediného přeživšího fotonu 4 a výsledky se porovnají s polarizací dávno mrtvého fotonu 1 (zpět ve stádiu II). Výsledek? Data odhalila přítomnost kvantových korelací mezi fotony 1 a 4, „dočasně nelokální“. To znamená, že k zapletení může dojít ve dvou kvantových systémech, které nikdy v čase koexistovaly.

Megidish a jeho kolegové se nemohou ubránit spekulacím o možných interpretacích jejich výsledků. Možná, že měření polarizace fotonu 1 v kroku II nějak nasměruje budoucí polarizaci 4, nebo měření polarizace fotonu 4 v kroku V nějak přepíše předchozí polarizační stav fotonu 1. Dopředu i dozadu se šíří kvantové korelace do kauzální prázdnoty mezi smrtí jednoho fotonu a narozením dalšího.

Co to znamená na makroúrovni? Vědci, diskutující o možných důsledcích, hovoří o možnosti, že naše pozorování hvězdného světla nějakým způsobem diktovala polarizaci fotonů před 9 miliardami let.

Dvojice amerických a kanadských fyziků Matthew S. Leifer z Chapman University v Kalifornii a Matthew F. Pusey z Perimeter Institute for Theoretical Physics v Ontariu si před pár lety všimli, že pokud se nebudeme držet toho, že Einstein. Měření provedená na částici se mohou odrazit v minulosti a budoucnosti, což se v této situaci stává irelevantním. Po přeformulování některých základních předpokladů vyvinuli vědci model založený na Bellově teorému, ve kterém se prostor proměňuje v čas. Jejich výpočty ukazují, proč za předpokladu, že čas je vždy napřed, narážíme na rozpory.

Podle Carla Rovelliho je naše lidské vnímání času neoddělitelně spojeno s tím, jak se chová tepelná energie. Proč známe jen minulost a ne budoucnost? Klíčem je podle vědce jednosměrný tok tepla z teplejších objektů do chladnějších. Kostka ledu vhozená do horkého šálku kávy kávu ochladí. Ale proces je nevratný. Člověk jako jakýsi „termodynamický stroj“ sleduje tuto šipku času a není schopen pochopit jiný směr. "Ale když pozoruji mikroskopický stav," píše Rovelli, "rozdíl mezi minulostí a budoucností mizí... v základní gramatice věcí není rozdíl mezi příčinou a následkem."

Čas měřený v kvantových zlomcích

Nebo se dá čas kvantifikovat? Nedávno se objevující nová teorie naznačuje, že nejmenší myslitelný časový interval nemůže přesáhnout jednu miliontinu miliardtiny miliardtiny sekundy. Teorie se řídí konceptem, který je alespoň základní vlastností hodinek. Důsledky této úvahy mohou podle teoretiků pomoci vytvořit „teorii všeho“.

Koncept kvantového času není nový. Model kvantové gravitace navrhuje, aby byl čas kvantován a měl určitou míru tikání. Tento cyklus tikání je univerzální minimální jednotkou a žádná časová dimenze nemůže být menší než tato. Bylo by to, jako by v základu vesmíru bylo pole, které určuje minimální rychlost pohybu všeho v něm a dává hmotu ostatním částicím. V případě těchto univerzálních hodin „místo toho, aby dávaly hmotnost, dávají čas,“ vysvětluje jeden fyzik, který navrhuje čas kvantovat, Martin Bojowald.

Simulací takových univerzálních hodin on a jeho kolegové z Pennsylvania State College ve Spojených státech ukázali, že by to znamenalo rozdíl v umělých atomových hodinách, které využívají atomové vibrace k dosažení nejpřesnějších známých výsledků. měření času. Podle tohoto modelu se někdy atomové hodiny (5) nesynchronizovaly s univerzálními hodinami. To by omezilo přesnost měření času na jediné atomové hodiny, což znamená, že dvě různé atomové hodiny by nakonec nemusely odpovídat délce uplynulé periody. Vzhledem k tomu, že naše nejlepší atomové hodiny jsou vzájemně konzistentní a mohou měřit tikání až na 10-19 sekund, nebo jednu desetinu miliardtiny miliardtiny sekundy, základní jednotka času nemůže být více než 10-33 sekund. Toto jsou závěry článku o této teorii, který vyšel v červnu 2020 v časopise Physical Review Letters.

5. Atomové hodiny založené na luteciu na Národní univerzitě v Singapuru.

Testování, zda taková základní jednotka času existuje, je mimo naše současné technologické možnosti, ale stále se zdá dostupnější než měření Planckova času, který je 5,4 × 10–44 sekund.

Motýlí efekt nefunguje!

Odebrání času z kvantového světa nebo jeho kvantování může mít zajímavé důsledky, ale buďme upřímní, populární představivost je poháněna něčím jiným, totiž cestováním v čase.

Asi před rokem profesor fyziky z University of Connecticut Ronald Mallett řekl CNN, že napsal vědeckou rovnici, která by mohla být použita jako základ pro stroj reálného času. Dokonce sestrojil zařízení pro ilustraci klíčového prvku teorie. Věří, že je to teoreticky možné přeměnit čas ve smyčkukterý by umožnil cestování časem do minulosti. Dokonce postavil prototyp, který ukazuje, jak mohou lasery pomoci dosáhnout tohoto cíle. Nutno podotknout, že Mallettovi kolegové nejsou přesvědčeni, že se jeho stroj času někdy zhmotní. Dokonce i Mallett připouští, že jeho myšlenka je v tomto bodě čistě teoretická.

Na konci roku 2019 New Scientist oznámil, že fyzici Barak Shoshani a Jacob Hauser z Perimeter Institute v Kanadě popsali řešení, ve kterém by člověk mohl teoreticky cestovat z jednoho místa. zpravodajský kanál k druhému, procházejícímu skrz díru dovnitř časoprostor nebo tunel, jak se říká, „matematicky možný“. Tento model předpokládá, že existují různé paralelní vesmíry, ve kterých můžeme cestovat, a má vážnou nevýhodu – cestování časem neovlivňuje vlastní časovou osu cestovatelů. Tímto způsobem můžete ovlivnit další kontinua, ale to, ze kterého jsme cestu začali, zůstává nezměněno.

A jelikož jsme v časoprostorovém kontinuu, tak s pomocí kvantový počítač Pro simulaci cestování časem vědci nedávno dokázali, že v kvantové říši neexistuje žádný "motýlí efekt", jak je vidět v mnoha sci-fi filmech a knihách. V experimentech na kvantové úrovni poškozené, zdánlivě téměř nezměněné, jako by se realita sama uzdravila. Článek na toto téma vyšel letos v létě v Psysical Review Letters. „Na kvantovém počítači nejsou žádné problémy ani se simulací opačného vývoje v čase, ani se simulací procesu přesunu procesu zpět do minulosti,“ vysvětlil Mikolay Sinitsyn, teoretický fyzik z Los Alamos National Laboratory a spol. autor studie. Práce. „Skutečně vidíme, co se stane se složitým kvantovým světem, pokud se vrátíme v čase, přidáme nějaké poškození a vrátíme se zpět. Zjistili jsme, že náš prvotní svět přežil, což znamená, že v kvantové mechanice neexistuje žádný motýlí efekt.“

Je to pro nás velká rána, ale také dobrá zpráva pro nás. Časoprostorové kontinuum si zachovává integritu a nedovoluje, aby ho malé změny zničily. Proč? To je zajímavá otázka, ale trochu jiné téma než samotný čas.