Оливер Луз
Ежедневно мы неизбежно сталкиваемся со временем. Это помогает нам организовать нашу жизнь, к лучшему или к худшему, и мы также привыкли делить наше ощущение времени на три основных блока: прошлое, настоящий момент и будущее. Время неразрывно связано с нашим повседневным опытом. Но насколько мы уверены в его существовании? Если бы нас попросили придумать определение времени, мы бы быстро сошлись на часах или других устройствах и явлениях, демонстрирующих неуклонно повторяющееся движение. Хотя эти инструменты предназначены для измерения времени, они не говорят нам, что такое время на самом деле. Имеет ли смысл говорить о времени, существующем независимо от часов?
Если мы ответим отрицательно, сделает ли это время менее универсальным? Действительно ли мы стираем время, удаляя все часы во Вселенной? Разве Вселенная не знала времени до появления первых часов, сделанных человеком? Если мы утверждаем, что время реально, существует ли оно объективно во Вселенной или является следствием сложной работы нашего мозга, пытающегося придать смысл окружающему миру?
Время отсчета
Поскольку понятие времени тесно связано с часами, давайте сначала углубимся в определение часов. По большому счету любое устройство, обладающее тремя основными характеристиками, может считаться часами:
оно имеет регулярные циклические узоры равной продолжительности (постоянная частота),
оно способно измерять эту периодическую активность и впоследствии отображать ее на выходном дисплее.
Повторяющиеся процессы, которые можно использовать для создания часов, включают вибрации кристалла кварца, колебания маятника, подпрыгивающие пружины, радиоактивный распад и повторение восходов солнца. То, что считается часами согласно этому описанию, распространяется - но не исключительно - на наручные часы, напольные часы, мобильный телефон, солнечные часы и атомные часы. Из этого определения исключены таймеры, секундомеры, календари, маятники и циркадные ритмы, то есть биологические и поведенческие ритмы с периодом продолжительности примерно 24 часа. В примере с кварцевыми часами батарея пропускает электричество через кристалл, заставляя его колебаться 32 768 раз в секунду - циклический образец равной продолжительности.
Схема часов - измерительная часть - ведет подсчет вибраций, производя один электрический импульс каждую секунду. Получив этот импульс, внутреннее двигательное устройство дает указание стрелкам часов тикать - выходной дисплей - что позволяет нам считывать время.
Приведенный пример подразумевает, что понятие секунды уже должно быть определено, чтобы кварцевые часы функционировали должным образом -часы не говорят нам, что такое время, а лишь измеряют его.
На самом деле Международная система единиц (система СИ) определяет секунду как "длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями невозмущенного основного состояния атома ???Cs". Для выполнения таких точных измерений нам нужны атомные часы. Это современное устройство для хронометража в основном состоит из взаимодействия шести лазеров, охлаждающих пакет атомов цезия (Cs) до температуры, близкой к абсолютному нулю, в результате чего резонатор, излучающий микроволны, слегка изменяет энергетические уровни атомов цезия (Cs). атомы - состояние атома с наименьшим энергетическим уровнем называется основным состоянием.
Когда другой лазер теперь направлен на атомы, они излучают свет в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра - если разница энергий между двумя атомными состояниями совпадает с энергией падающего света, атом будет поглощать и повторно излучать свет - как следствие постоянного перехода атомов цезия между двумя незначительно различными энергетическими уровнями (называемыми сверхтонкими уровнями) в пределах своего основного состояния. Этот излучаемый свет обнаруживается, и, учитывая, что свет состоит из колеблющихся электромагнитных волн, свойство света, которое затем используется для определения секунды, - это период, т. е. время, которое требуется световой волне, чтобы преодолеть расстояние между двумя последовательными пиками волны. Расстояние это называется длиной волны.
Итак, секунда определяется как продолжительность 9,19 2 631 770 временных интервалов (периодов), связанных с обнаруженным светом, - имейте в виду, что приведенное выше определение секунды опирается на понятие времени, но не объясняет, что такое само время.
Почему мы связываем циклические паттерны со временем или с эволюцией времени? Существует ли время вне наших наручных часов и часов? Другими словами, является ли время существующей физической величиной, такой как масса и температура, или мы воображаем его из практических или экзистенциальных целей?
В погоне за определением
Несмотря на то, что некоторые физики-теоретики рассматривают время как иллюзию, например, Пол Вессон, который утверждает, что "время - это субъективное упорядочивающее устройство, изобретенное человеческим разумом для придания смысла воспринимаемому им миру", большинство физиков признает, что время существует. Тем не менее, пытаясь найти четкое определение времени в литературе по физике, мы чаще всего возвращаемся с пустыми руками.
Пришло время для новой теории
Одним из спорных моментов, который не позволяет сформулировать последовательное определение, является то, как время трактуется в двух самых успешных физических теориях прошлого века, а именно в квантовой механике и теории относительности Альберта Эйнштейна. В последней теории время не рассматривается как абсолютное или универсальное, по крайней мере, в двух отношениях: согласно специальной теории относительности, время относительно, поскольку скорость его течения зависит от того, насколько быстро человек движется в пространстве. С точки зрения неподвижного наблюдателя, время идет медленнее на часах того, кто движется с большей скоростью. Согласно общей теории относительности, время замедляется вблизи очень массивных объектов, таких как планеты, звезды и черные дыры, относительно далекого наблюдателя.
Вот почему время воспринимается (и измеряется) как более быстрое наверху здания по сравнению с нижним этажом, и почему спутники GPS должны учитывать этот эффект, чтобы функционировать должным образом. Теория относительности учит, что время и пространство следует рассматривать как динамические конструкции. Более того, это родственные понятия - в отличие от ньютоновской механики, где время и пространство существуют независимо друг от друга.
Общая теория относительности утверждает, что большие массы и высокие энергии искривляют пространство-время, и именно эта кривизна объясняет понятие гравитации. Напротив, время в квантовой механике не является относительным или динамическим. Эта теория описывает поведение атомных и субатомных частиц, такое как квантовая запутанность (мгновенная корреляция между квантовыми объектами независимо от расстояния между ними) и суперпозиция (способность существовать в двух разных физических состояниях одновременно). Для изучения эволюции таких квантовых систем время берет на себя роль априорно фиксированного параметра, внешней переменной, не зависящей от относительного положения или скорости наблюдателей, подобно абсолютному понятию времени в классической ньютоновской механике.
Проблема со временем более отчетливо проявляется на предельно малых расстояниях, поскольку квантовая механика говорит нам, что на этих масштабах соответствующие энергии становятся достаточно большими, чтобы кривизна пространства-времени, описываемая общей теорией относительности, стала существенной. Это означает, что хотя мы и живем в сферах квантовой механики, где время считается абсолютным, время следует одновременно рассматривать и как относительное в соответствии с теорией относительности.
Какое же оно на самом деле? Чтобы лучше понять концепцию времени, физики работают над проектом теории квантовой гравитации, целью которой является последовательное объединение квантовой механики с теорией относительности во всех масштабах энергии. Таким образом, окончательная теория, предположительно, сможет объяснить, что произошло в момент создания Вселенной, а также то, что происходит внутри черных дыр - две ситуации, в которых действуют как квантово-механические эффекты, так и гравитация.
Физики ведутся дебаты о том, действительно ли время существует на самой фундаментальной шкале реальности, или время каким-то образом появляется на этой шкале.
Другая причина, по которой трудно определить время, заключается в том, что физики не пришли к согласию: является ли время конечным или бесконечным. Это обсуждение связано с вопросами о происхождении и судьбе нашей Вселенной. Если вы предполагаете, что Вселенная возникла из пылинки небытия, тогда вы должны довольствоваться идеей, что время имело начало. Если вместо этого вы соглашаетесь с космологическими моделями, включающими мультивселенную, например, с теорией хаотической вечной инфляции или с циклическими моделями, согласно которым Вселенная постоянно расширяется (Большой взрыв) и сжимается (Большое сжатие), как это предлагается циклической теорией, придуманной Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком - тогда нужно смириться с мыслью, что время не знает ни начала, ни конца.
Некоторые космологи, такие как Одри Митани и Александр Виленкин, не согласны с утверждением, что Вселенная простирается бесконечно в прошлое в инфляционных и циклических моделях, по той причине, что нарушаются определенные энергетические условия. Более того, физик Пол Дэвис утверждает: бесконечная Вселенная не может существовать, потому что в противном случае мы уже достигли бы состояния термодинамического равновесия, при котором во Вселенной больше ничего (включая жизнь) не происходит. Сглаживаются любые перепады температур - фатальным сценарием является так называемая тепловая смерть Вселенной.
Как бы то ни было, мы можем прийти к утверждению, что время - это количественная сущность, о которой мы можем знать и измерять ее эффекты или свойства только с помощью часов. Время в соответствии с этим операционным определением называется временем часов.