우리의 최고의 물리적 이론에 따르면 시간에 대해 생각하고 있습니다. 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에서는 과거와 미래 사이에 개념적 구별이 없으며,“지금”의 객관적인 선은 물론입니다. "흐름"이라는 의미도 없습니다. 대신, 모든 공간과 시간은 단지 입니다 일부 4 차원 구조. 또한, 물리학의 모든 기본 법칙은 본질적으로 앞뒤로 동일하게 작동합니다.
이러한 사실 중 어느 것도 우리의 주관적인 시간 경험과 직접 충돌하기 때문에 받아들이 기 쉽지 않습니다. 하지만 기분이 나쁘지는 않습니다. 물리학 자들에게도 힘들다 받아들이는 것은 물리학을 상식뿐만 아니라 그 자체로도 갈등을 일으키는 지속적인 긴장입니다. 물리학 자들이 시간 대칭에 대해 이야기하는 한, 그들은 세상에서 일어난 일을 설명하기 위해 미래를 불러 일으키지 않습니다.
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설명을 공식화 할 때, 우리 대부분은 300 년 전에 Isaac Newton이 제시 한 용어로 생각하는 경향이 있습니다. 이“뉴턴 스키마”는 과거를 기본으로 삼아 미래를 위해 해결하기 위해 사용하여 한 번에 한 번의 시간을 설명합니다. 일부 연구자들은 우주를 앞으로 실행되는 컴퓨터 프로그램의 출력으로 생각하기까지합니다. 지난 세기에 우리의 시간에 대한 우리의 견해가 크게 바뀌 었음에도 불구하고 뉴턴 스키마는 어떻게 든 가장 인기있는 물리학 프레임 워크로 견뎌냈습니다.
그러나 새로운 양자 규모 현상에 대한 오래된 뉴턴 스키마 사고를 부과하면 좋은 설명이없는 상황에서 우리를 착륙 시켰습니다. 이러한 현상이 설명 할 수없는 것처럼 보이면, 우리는 단지 그것들에 대해 잘못된 방식으로 생각하고있을 것입니다. 우리가 미래를 과거뿐만 아니라 고려할 의향이 있다면 훨씬 더 나은 설명을 사용할 수 있습니다. 그러나 뉴턴 스타일의 사고는 본질적으로 그러한 시간 중립적 인 설명을 할 수 없습니다. 컴퓨터 프로그램은 한 방향으로 만 실행되며 반대 방향으로 실행되는 두 개의 프로그램을 결합하려고하면 시간 여행 영화의 역설적 인 사고로 이어집니다. 우리가 과거를 대하는만큼 미래를 진지하게 대하기 위해서는 뉴턴 스키마에 대한 대안이 분명히 필요합니다.
그리고 우리는 하나가 있습니다. 대부분의 물리학 자들은 다른 프레임 워크를 잘 알고 있으며, 공간과 시간을 균일 한 방식으로 분석하는 대안입니다. 이 소위 Lagrangian 스키마는 또한 오래된 뿌리를 가지고 있으며 모든 기본 물리학 분야에서 필수 도구가되었습니다. 그러나이 접근법을 정기적으로 사용하는 물리학 자조차도 마지막 명백한 단계에 저항했습니다. Lagrangian 스키마를 수학적 트릭이 아니라 세상을 설명하는 방법으로 생각합니다. 아마도 우리는 우리 자신의 이론을 진지하게 받아들이지 않았을 것입니다.
Lagrangian 스키마는 미래의 설명 만 허용하는 것이 아닙니다. 요구 그들을. 이 틀은 같은 발판에서 미래와 과거를 대우함으로써 역설을 피하고 새로운 설명 기회를 제공합니다. 그리고 그것은 물리학이 다음 주요 획기적인 혁신에 필요한 관점 일 수 있습니다.
Lagrangian 스키마를 이해하기위한 첫 번째 단계는 Newtonian 사고의 시간적 "흐름"을 완전히 따로 설정하는 것입니다. 이것은 시공간 영역을 전체적으로 처리함으로써 가장 잘 수행 할 수 있습니다. 영화의 순차적 프레임이 아니라 한 번에 전체 지속 시간을 고려하십시오. 우리는 시공간 영역을 공간 경계뿐만 아니라 시간적 경계, 지역의 초기 및 최종 북 엔드로 제한된 4 차원 구조로 묘사 할 수 있습니다.
전기에서 블랙홀에 이르기까지 모든 고전 물리학은 단순한 라그랑지안 기반의“최소 작용”원리를 통해 표현 될 수 있습니다. 시공간 영역에서 사용하려면 먼저 전체 경계에 물리적 매개 변수가 제한되는 방법을 설명합니다. 그런 다음 해당 경계 내부의 가능한 이벤트 세트에 대해 "액션"이라는 수량을 계산합니다. 행동의 가장 낮은 값을 가진 이벤트 세트는 원래 경계 제약 조건과 몇 가지 다른 기술 경고를 고려할 때 실제로 발생하는 이벤트입니다.
예를 들어, 빛의 광선이 지점 A에서 B 지점으로 이동하면 동작은 이동 시간의 양에 해당합니다. 실제 경로는 중간 장애물을 고려할 때 가장 빠른 경로입니다. 이런 식으로, 라이트 레이는 전체 여행 시간을 최소화하기 때문에 유리 인터페이스에서 구부러집니다. Lagrangian 스키마는 양자 물리학에서 약간 다르게 작동하며 결정적인 예측보다는 확률을 산출하지만 기본 사항은 동일합니다. 시공간 경계 제약 조건은 여전히 한 번에 모두 부과됩니다.
.Newtonian Logic에 의해 이것은 매우 이상하게 들립니다. A의 빛의 광선은 (지점 B 및 미래의 장애물에 관한), 광대 한 계산 능력 (다른 경로를 조사하는) 및 기관 (가장 빠른 경로를 선택하기 위해)을 가진 것으로 보인다. 그러나이 이상 함은 뉴턴과 라그랑지안의 사고가 메쉬하지 않는다는 증거 일뿐입니다. 아마도 우리는 아마도 라이트 광선을 의인화해서는 안된다는 증거입니다.
Lagrangian 스키마는 과거를 통한 사건을 설명하는 대신 전체 경계 제약 (결정적으로 최종 경계)으로 시작합니다. 광선의 경우 최종 제약 조건을 부과하지 않으면 포인트 B의 위치는이 접근 방식이 적절한 답변을 제공하지 못합니다. 그러나 제대로 사용된다면 수학의 성공은 경계 제약의 명확한 논리적 우선 순위를 나타냅니다. 모든 시공간 영역의 경계는 내부를 설명합니다.
Lagrangian 접근법은 알려진 물리학에 대한 가장 우아하고 유연한 설명을 제공하며 물리학 자들은 종종 그것을 선호합니다. 그럼에도 불구하고, Lagrangian 기반 원칙의 광범위한 적용 가능성에도 불구하고, 그들을 사용하는 물리학 자조차도 말 그대로 가져 가지 않습니다. 이벤트가 미래에 일어나는 일에 의해 설명 될 수 있다는 것을 받아들이는 것은 어렵습니다. 결국, 과거와 미래 사이에는 명백한 차이가 있습니다. 우리가 그러한 분명한 시간의 화살을 보았을 때, 미래의 경계가 어떻게 과거의 경계만큼이나 중요 할 수 있습니까?
그러나 Lagrangian 스키마를 우리의 인과 적 경험으로 조정하는 방법이 있습니다. 우리는 세부 사항을 잃지 않고 충분히 크게 생각해야합니다.
동상의 섬광 사진을 찍어도 가정 해보십시오. 각 빛의 광선은 최소 작용 원칙을 준수하여 경로에 대한 완벽한 시간 대칭 설명을 제공합니다. 그러나 종합하면 명백한 비대칭이 있습니다. 초기 경계 A는 모두 플래시에서 함께 클러스터링되며 최종 경계 B는 동상 위에 퍼집니다. 또한 A에서 빛의 확산이 그 반대보다 B에서 조명에 대한 훨씬 더 나은 설명이라는 것은 완벽하게 분명합니다. 광선 경로가 반대로 보이지만, 아무도 동상에 대한 복잡한 빛의 빛으로 인해 빛이 Flashbulb에 집중되었다고 주장하지 않을 것입니다.
.여기서 한 가지 교훈은 만족스러운 설명이 간단한 기존 측면에서 복잡한 사건을 설명한다는 것입니다. 그들은 복수의 사건을 설명하기 위해 몇 가지 관련 매개 변수만으로 하나의 사실을 취합니다. 어떤 스키마가 사용하든 상관없이 분명해야합니다.
그러나 A와 B 의이 비대칭 성은 라그랑지안 관점에 대한 반박이 아니며, A와 B가 함께 함께 발생하는 일에 대한 세부 사항을 가장 잘 설명 할 수 있다고 말합니다. Lagrangian 스키마에서도 A와 B는 서로 독립적이지 않습니다. 그들이 어떻게 관련되어 있는지 확인하려면 더 크게 생각해야합니다. Lagrangian 스키마의 경계 프레임 워크에 따르면 설명은 체인되지 않습니다. 그들은 둥지입니다. 다시 말해, 우리는 이벤트가 이벤트 B로 이어지는 이벤트를 묘사하지 않습니다. 대신, 우리는 작은 시공간 영역을 전체적으로 처리합니다. 그런 다음 우리는이 지역을 더 큰 지역 (공간과 시간 모두)의 일부로 취급합니다. 동일한 Lagrangian 논리를 적용하면 더 큰 경계는 이제 원래 경계를 포함하여 내부의 모든 것을 설명해야합니다.
동상 예제에 대해이 절차를 실행하면 전구와 동일한 비대칭이 더 크게 기록됩니다. 즉, 우리는 과거에 카메라 플래시에 대한 만족스러운 설명을 발견하지만, 미래를 바라 보면서 동상의 조명을 설명하지는 않습니다. 그런 다음 우리는 우주의 외부 제약으로 인해 우주의 외부 제약으로 나올 때까지 더 큰 시스템에서 더 큰 시스템을 더 큰 시스템으로 둘러 볼 수 있습니다. 우리가 아는 한, 우리는 그 규모에서 동일한 비대칭 성을 봅니다. 빅뱅 근처의 특이하고 부드러운 물질 분포와 미래에는 더 큰 장애가 있습니다.
Lagrangian 관점에서 일반 시공간 영역을 보면, 초기 경계 (Flashbulbs에서 발광하는 광선)가 최종 경계 (Lit Statues)보다 간단하다는 사실은 우리의 가장 가까운 우주적 경계가 우리의 과거에 있다는 강력한 증거입니다. 이 순서의 일관성은 비슷한 미래에 상응하는 우주 학적 경계가 없음을 의미합니다. 따라서 우리 우주의 명백한 특징에 대한 최고의 설명으로서 빅뱅을 감안할 때, 분명한 시간 방향은 차가운 창문 옆에 서있을 때 느끼는 공간 온도 구배와 본질적으로 다릅니다. 어느 경우에도 공간이나 시간 비대칭이 아닙니다. 가장 가까운 경계 제약과 관련하여 어디에 있는지에 대한 문제입니다.
우리가 일반적으로 관찰하는 고전적인 척도에서, 우리는 과거에 아직 가지고 있지 않은 미래 경계에서 새로운 정보를 얻지 못합니다. 이것이 모든 척도에서 사실을 유지한다면, Lagrangian 스키마는 곤경에 처할 것입니다. 왜냐하면 미래의 경계는 전혀 중요하지 않기 때문입니다. 그러나 실제로 우리가 양자 불확실성의 수준으로 내려 가면 사실이 아닙니다. 미세한 미래 세부 사항은 과거에서만 추론 할 수 없습니다. 그리고 양자 척도는 라그랑지안 스키마의 실제 힘이 분명 해지는 곳입니다.
양자 얽힘은 뉴턴 스키마 설명을 무시하는 개념입니다. 세부 사항은 우리의 목적에 중요하지 않으므로 전형적인 얽힘 실험의 골격 개요를 고려해 봅시다 (얽힌 이야기 참조). 중앙의 장치는 두 개의 입자를 생성합니다. 왼쪽 입자는 하나의 컴퓨터 ( "Alice")에 의해 제어되는 검출기로 보내지고 오른쪽 입자는 다른 컴퓨터 ( "Bob")에 의해 제어되는 먼 검출기로 전송됩니다. 검출기는 독립적 인 랜덤 숫자에 의해 결정된 여러 가지 방법 중 하나로 각각의 입자를 측정합니다. 아일랜드 물리학 자 John Bell이 60 년대에 유명하게 입증 된 것처럼,이 실험의 측정 결과는 우리의 일반적인 시도에 대한 우리의 일반적인 시도에 견고하게 저항하는 방식과 관련이 있습니다.
특히, 입자의 공유 과거는 적어도 Alice와 Bob이 무작위로 선택할 수있는 모든 측정 설정을 넘지 않는 측정 된 상관 관계를 설명하기에 충분하지 않습니다. 물론 많은 과학자들은 를 원합니다 이러한 결과를 육체적으로 설명하고 특히 수학을 통한 상관 관계를 설명하는 데 특히 만족하지 않습니다. 그들은 상실에 빠진 상태에서 우주 나 시간에 제대로 존재하지 않는 신비한 단체를 불러 일으키거나 (자신의 권리에 대한 설명을 구걸하거나) 빛보다 더 빨리 여행 할 수도 있습니다 (아인슈타인의 상대성 이론에 대해 우리가 아는 모든 것을 맹렬히 위반)
.이러한 절망적 인 옵션을 제외하고, 모든 사람들은 입자 만 Alice와 Bob의 임의의 설정을 미리 예상 할 수 있다면 자연스러운 설명을 찾을 수 있다는 데 동의합니다. 그러나 입자 에게이 정보를 제공하는 대부분의 제안은 속임수 형태에 어떤 영향을 미치는지를 요구합니다. 입자는 어떻게 든 Alice 's와 Bob의 랜덤 번호 생성기에 대한 모든 입력을 스니핑하고 미래의 탐지기 설정을 예측하기 위해 해당 정보를 사용합니다.
.조명 동상의 복잡한 세부 사항으로 인한 현지화 된 카메라 플래시의 "설명"을 받아들이지 않는 것처럼 거의 아무도 이것을 얽힘 실험에 대한 가치있는 설명으로 사지 않습니다. 이러한 음모 계정은 합리적인 설명 표준을 위반합니다. 추정 메커니즘은 설명하려는 단순한 결과보다 훨씬 더 복잡합니다.
동상의 예에서, 명백한 해결책은 최상의 설명을 위해 더 간단한 경계 (플래시)를 보는 것입니다. 양자 얽힘의 경우, Lagrangian 관점을 사용할 때 합리적인 설명이 거의 분명합니다. 설명은 탐지기 설정의 복잡한 전구체에 있지 않으며 단순한 향후 탐지기 설정 자체에 있습니다.
신비한 얽힌 입자는 그림의 음영 시공간 영역에 존재하며,이 영역의 경계에는 준비와 최종 탐지가 모두 포함됩니다. Alice와 Bob이 선택한 설정은 실제 감지기, 최종 경계에서 물리적으로 표현됩니다. 우리가해야 할 일은 미래의 경계에 의해 입자가 직접 제한되도록하고 얽힘 실험에 대한 간단한 설명을 이용할 수 있습니다. 이 경우 관찰을 가장 잘 설명 할 수있는 것은 미래와 과거입니다.
양자 얽힘만이 미래를 설명으로 진지하게 받아 들여서 용해시킬 수있는 유일한 미스터리는 아닐 수도 있습니다. 다른 양자 현상은 또한 근본적인 단순한 계정을 가질 수있는 것으로 판명 될 수 있으며, 이는 멀리서 조치를 취하지 않고 일반적인 공간과 시간에 상주 할 수있는 설명입니다. 양자 이론의 확률은 다른 모든 과학적 분야의 확률과 같을 것입니다.
그러한 연구 라인은 확실히 중요한 의문을 제기 할 것입니다. 미래가 과거를 제한 할 수 있다면 왜 결과가 양자 수준에 국한 되는가? 양자 현상을 사용하여 과거에 메시지를 보낼 수없는 이유는 무엇입니까? 우주 론적 경계는 어떤 척도에서 지배적이며,이 모든 작업을 수행하기 위해 Lagrangian 기반 접근 방식을 어떻게 일반화해야합니까?
그러한 질문을 다루는 것은 물리학에 도움이되지 않을 수 있습니다. 또한 우리 자신을 4 차원 우주의 일부로 보는 방법을 알려줄 수도 있습니다. 예를 들어, Lagrangian 스키마에 따르면, 모든 지역의 현미경 세부 사항은 과거 경계에 의해 완전히 제한되지 않습니다. 뇌의 원자 수준에는 미래에 관련이 있지만 알려지지 않은 제약이 있습니다. 아마도이 사고 라인은 미래가 이전에 오는 것에 의해 순전히 결정되지 않는 새로운 의미를 제공함으로써 우리의 자유 의지 감각을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 확실히 고정 과거와 열린 미래 사이에 깔끔하고 객관적인 차이가 있다는 생각을 다시 생각해야 할 것입니다.
과학이 더 깊고 단순하고 더 만족스러운 설명을 발견 할 때마다 과학적 발전이 더욱 심해졌습니다. 따라서 우리가 아직 파악하지 못한 양자 현상에 대한 더 깊은 설명이 있다면, 더 깊은 수준을 마스터하면 양자 효과를 활용하는 광범위한 기술에서 중요한 발전으로 이어질 수 있습니다. 잘못된 본능은 확실히 과거의 물리적 발전이 느려졌으며, 시간에 대한 우리의 본능은 그들이 오는만큼 강합니다. 그러나 우리가 단순히 미래를 바라 볼 수 있다면 자연의 가장 깊은 신비를 설명하는 분명한 길이 있습니다.
Ken Wharton은 San Jose State University의 물리 교수이며, 이전에는 고강도 레이저에 대한 실험가였으며, 이제는 기존의 시간 개념을 다시 생각하여 물리학을 통합하기 위해 이론가입니다. .
Huw Price는 캠브리지 대학교의 철학자 교수로 물리학의 시간 대칭을 탐구하는 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 올 가을부터 그는 인공 지능의 영향을 연구하기 위해 지능의 미래를위한 Leverhulme Center의 이사가 될 것입니다. .
리드 아트는 Christian Mueller / Shutterstock의 이미지를 사용하여 만들어졌습니다.
