Olam tarixi va har qanday kuzatuvchi uchun doim bir xil yo'nalishda va bir xil sur'atda harakatlanadigan vaqt o'qi. (NASA / GSFC)

Nega biz vaqt faqat oldinga siljishini tushunmaymiz

O'tmish o'tib ketdi, kelajak hali bu erda emas, faqat hozirgi narsa hozir. Ammo nega u doimo biz uchun bo'lgani kabi doimo oqadi?

O'tayotgan har bir lahza bizni o'tmishdan to hozirgi kunga va kelajakka sayohat qilishni, vaqt har doim bir yo'nalishda bo'lishini topadi. Hech qanday holatda u hech qachon turolmaydi yoki orqaga burilmaydi; «vaqt o'qi» doim biz uchun oldinga intiladi. Ammo fizika qonunlariga nazar tashlasak - Nyutondan Eynshteyngacha, Maksvelldan Bohrgacha, Dirakdan Feynmangacha - ular vaqt simmetrik bo'lib ko'rinadi. Boshqacha qilib aytganda, voqelikni boshqaruvchi tenglamalar vaqtning qanday o'tishini afzal ko'rmaydi. Fizika qonunlariga bo'ysungan har qanday tizimning xatti-harakatlarini tavsiflovchi echimlar, biz tushunganimizdek, ular o'tmishdagi vaqt oqimi kabi, ular kelajak uchun vaqt o'tishi uchun ham to'g'ri keladi. Ammo tajribadan bilamizki, vaqt faqat bir yo'nalishda o'tadi: oldinga. Xo'sh, vaqt o'qi qaerdan keladi?

O'rtadagi to'pning o'tmishdagi va kelajakdagi traektoriyalari fizika qonunlari bilan belgilanadi, ammo vaqt biz uchun faqat kelajakka yo'naltiriladi (Wikimedia foydalanuvchilari MichaelMaggs va (tahrirlagan) Richard Bartz)

Ko'p odamlar vaqt o'qi bilan entropiya deb nomlangan miqdor o'rtasida bog'liqlik bo'lishi mumkin deb hisoblashadi. Aksariyat odamlar odatda "tartibsizlik" ni entropiya bilan tenglashtiradilar, ammo bu juda dangasa tavsif, chunki bu ham aniq emas. Buning o'rniga, issiqlik (issiqlik) energiyasini foydali, mexanik ishlarga aylantirish mumkin bo'lgan o'lchov sifatida entropiya haqida o'ylang. Agar sizda potentsial ishlashga qodir bo'lgan bu energiya juda ko'p bo'lsa, unda siz past entropiya tizimiga egasiz, agar sizda juda oz bo'lsa, sizda yuqori entropiya tizimi mavjud. Termodinamikaning ikkinchi qonuni fizikada juda muhim aloqadir va u yopiq (o'z-o'zidan tuzilgan) tizimning entropiyasi vaqt o'tishi bilan faqat o'sishi yoki bir xil darajada qolishi mumkinligini ta'kidlaydi; u hech qachon tusholmaydi. Boshqacha qilib aytganda, vaqt o'tishi bilan butun Olamning entropiyasi ortishi kerak. Fizikaning yagona qonuni, bu vaqt uchun afzal ko'rilgan yo'nalishga ega.

Clarissa Sorensen-Unruxning entropiya haqidagi ma'ruzasidan hanuzgacha. (C. Sorensen-Unruh / YouTube)

Demak, bu biz vaqtni faqat termodinamikaning ikkinchi qonuni tufayli sodir bo'lganligimizni his etadimi? Vaqt o'qi va entropiya o'rtasida tub darajada bog'liqlik bormi? Ba'zi fiziklar shunday deb o'ylashadi va bu albatta mumkin. MinutePhysics YouTube kanali va fizik Shon Kerol, "Buyuk rasm", "Abadiyatdan bu yergacha" va entropiya / vaqtning ishqibozi o'rtasidagi 2016 yilgi qiziqarli hamkorlikda ular vaqt nega orqaga o'girilmaydi degan savolga javob berishga harakat qilishadi. Ajablanarlisi yo'q, ular barmoqni diqqat bilan entropiyaga qaratadilar.

To'g'ri, entropiya bir qancha hodisalarga vaqtni yo'naltiradi, masalan, nega qahva va sut aralashadi, lekin aralashmaydi, nega muz iliq ichimlikka eriydi, lekin hech qachon o'z-o'zidan salqin ichimlikdan iliq ichimlik bilan birga chiqmaydi va nega pishirilgan qaymoq bilan pishirilgan tuxum hech qachon qaynatilmagan, ajratilgan albumin va sarig'ga aylanmaydi. Ushbu holatlarning barchasida dastlab past-entropiya holati (ko'proq mavjud, ishlashga yaroqli energiya) vaqt o'tgan sayin yuqoriroq entropiya holatiga o'tdi (va undan kam energiya mavjud). Tabiatda bunga ko'plab misollar bor, shu jumladan molekulalar bilan to'ldirilgan xonada: bir tomoni sovuq, sekin harakatlanuvchi molekulalar bilan, ikkinchisi issiq, tez harakatlanadiganlar bilan. Shunchaki vaqt bering va xona oraliq energiya zarralari bilan to'liq aralashib ketadi va bu entropiyaning katta o'sishini va qaytarilmas reaktsiyani anglatadi.

Chapdagi dastlabki sharoitlarda o'rnatilgan va rivojlanishga imkon beradigan tizim o'z-o'zidan o'ng tomonda tizim bo'lib, bu jarayonda entropiyani oladi. (Wikimedia Commons foydalanuvchilari Htkym va Dhollm)

Bundan tashqari, uni to'liq qaytarib bo'lmaydi. Ko'ryapsizmi, ko'pchilik termodinamikaning ikkinchi qonuni va entropiyaning kuchayishi haqida gap ketganda, ko'pchilik esdan chiqaradi: bu faqat yopiq tizimning entropiyasi yoki tashqi energiya bo'lmagan yoki entropiyadagi o'zgarishlar qo'shilmagan yoki tortib olinadigan tizimni anglatadi. . Ushbu reaktsiyani qaytarish usulini birinchi marta 1870-yillarda buyuk fizik Jeyms Klerk Maksvell o'ylab topgan: shunchaki tashqi jism mavjud bo'lib, u "sovuq" molekulalar ustiga oqib chiqishiga imkon beradigan holda xonaning ikki tomoni o'rtasida bo'linishni ochadi. bir tomoni va «issiq» molekulalar boshqa tomonga oqib chiqishi uchun. Ushbu g'oya Maksvellning iblisi deb nomlandi va bu sizga tizimning entropiyasini pasaytirishga imkon beradi!

Maksvell jinining tasviri, u zarrachalarni qutilarning ikkala tomonidagi energiyasiga ko'ra saralashi mumkin. (Wikimedia Commons foydalanuvchisi Htkym)

Albatta, bu bilan siz termodinamikaning ikkinchi qonunini buzolmaysiz. Bu shuni anglatadiki, jin zarralarni shunday ajratish uchun juda ko'p energiya sarf qilishi kerak. Jinning ta'siri ostida bo'lgan tizim ochiq tizimdir; agar siz jinning entropiyasini o'zi zarrachalar tizimiga qo'shsangiz, jami entropiya umuman o'sib borishini topasiz. Ammo bu erda zarba beruvchi: agar siz qutida yashaganingizda va jinning mavjudligini aniqlay olmagan bo'lsangiz ham, boshqacha aytganda, agar siz qilgan barcha narsalar Koinotning cho'ntagida yashasa, uning entropiyasining pasayishini ko'rgan - vaqt hali ham davom etaveradi. siz. Vaqtning termodinamik o'qi biz vaqtning o'tishini idrok etadigan yo'nalishni aniqlamaydi.

Atrofimizdagi Olam antropiyasini qanday o'zgartirmasligimizdan qat'i nazar, barcha kuzatuvchilar uchun soniya bir soniya tezlikda davom etmoqda. (jamoat mulki)

Xo'sh, bizning hislarimizga bog'liq bo'lgan vaqt o'qi qaerdan keladi? Biz bilmaymiz. Ammo biz biladigan narsa shundaki, vaqtning termodinamik o'qi bu emas. Bizning Koinotdagi entropiya o'lchovlarimiz butun kosmik tarixdagi keskin pasayishni biladi: kosmik inflyatsiyaning tugashi va uning Katta portlash holatiga o'tish. (Va bu hatto inflatsiya holatidan materiya va nurlanish bilan to'lgan holatga qadar bo'lgan entropiyaning juda katta o'sishini aks ettirishi mumkin.) Bilamizki, bizning Koinotimiz barcha yulduzlar yoqib yuborilgandan so'ng, sovuq va bo'sh taqdirga duch keladi. barcha qora tuynuklar parchalanib ketgandan so'ng, qorong'u energiya bo'shashgan galaktikalarni bir-biridan ajratib yuboradi va gravitatsion o'zaro ta'sirlar natijasida qolgan ulkan sayyora va yulduz qoldiqlari chiqadi. Maksimal entropiyaning ushbu termodinamik holati olamning "issiq o'lim" deb nomlanadi. Ajablanarlisi shundaki, bizning Koinotimiz paydo bo'lgan holat - kosmik inflyatsiya holati aynan bir xil xususiyatlarga ega, inflyatsiya davrida bizning hozirgi qorong'i energiya hukmron bo'lgan davrimizga nisbatan ancha katta o'sish sur'ati.

Inflyatsiyaning kvant mohiyati shundan iboratki, u koinotning ba'zi

Qanday qilib inflyatsiya tugadi? Qanday qilib koinotning vakuum energiyasi, bo'shliqqa xos energiya zarrachalar, antipartrikulalar va nurlanishlarning issiq issiq vannasiga aylantirildi? Va koinot kosmik inflyatsiya paytida ajablanarli darajada yuqori entropiya holatidan olamning Katta portlash paytida pastki entropiyaga o'tdimi yoki koinotning mexanik ishlarni bajarishga qodirligi tufayli inflyatsiya paytida entropiya ham pastga tushdimi? Ushbu nuqtada bizda faqat rahbarlik qiladigan nazariyalar mavjud; bizga ushbu savollarga javob beradigan eksperimental yoki kuzatuv imzolari ochilmagan.

Inflatsiya tugashi va Katta Portlashning boshlanishi bilan hozirgi kungacha entropiya har doim o'sib boradi. (E. Sigel, ESA / Plank va CMB tadqiqotlari bo'yicha DoE / NASA / NSF idoralararo ishchi guruhidan olingan rasmlar bilan)

Biz vaqt o'qini termodinamik nuqtai nazardan tushunamiz va bu juda qimmatli va qiziqarli bilimdir. Ammo agar siz kecha nima uchun o'zgarmas o'tmish ekanligini bilishni istasangiz, ertaga bir kun keladi va hozir siz hozir yashayotganingiz, termodinamika sizga javob bermaydi. Hech kim, aslida nima bo'lishini tushunmaydi.

Portlash bilan boshlanadi, endi Forbesda va Patreon tarafdorlari tufayli O'rta nashrda qayta nashr etiladi. Ethan "Galaktikadan tashqari" va "Treknologiya" nomli ikkita kitobning muallifi: Tricorders dan Warp Drive-ga qadar Star Trek haqida fan.