시간 화살의 신비

의식적인 존재로서, 우리는 끊임없이 끊임없는 시간을 알고 있습니다. 계란을 오믈렛으로 만들 수는 있지만 오믈렛을 계란으로 되돌릴 수는 없습니다. 떨어진 안경은 산산이 부서져서 스스로를 재 조립하지 않습니다. 무엇보다도, 우리는 나이가 들어서 멍청이가됩니다. 청소년으로 돌아 오는 것은 없습니다.

그러나 이것은 훌륭한 과학적 미스터리입니다. 기본 현미경 수준에서 자연 법칙의 형태로 시간 방향을 구별하는 것은 없습니다. 그들은 시간 대칭입니다. 그러나 우리 주변의 거시적 물체의 행동은 유명한 열역학 제 2 법칙에 따라 다릅니다. 이것은 시간의 방향 또는 화살표를 현상에 넣습니다. 19 세기 후반 Maxwell과 Boltzmann의 고전 연구는 원자의 존재를 가정했으며 합리적인 법칙에 근거하여 균일 한 원자 분포는 항상 균일 한 온도 분포를 가진 상태로 세척되는 경향이 있음을 보여주었습니다.

이 초기 작업은 중력을 고려하지 않았습니다. 중력은 "반지 방학적"행동을 일으키기 때문에 많은 퍼즐을 나타냅니다. 그 영향에 따라 균일하게 분포 된 물질은 클러스터로 분해되는 경향이 있습니다. 현재로서는 엔트로피 유형 개념을 사용 하여이 동작을 설명하는 방법을 아무도 모릅니다. 아인슈타인의 놀라운 중력 이론 (일반적인 상대성 이론)은 블랙홀이 형성 될 때 열역학적 특성을 가지고 거대한 엔트로피를 가지고 있음을 보여주기 때문에 이것은 더욱 당혹 스럽습니다. 아무도 할 수 없었던 것은 나머지 우주의 중력 엔트로피를 정의하는 것입니다.

위대한 중력 이론가 Roger Penrose가 시작한 가장 인기있는 아이디어는 중력장의 불균일 정도 측면에서 나머지 우주에 대한 중력 엔트로피를 정의하려고 시도합니다. 우주론 관찰에 따르면 초기 우주는 펜로즈가 옳은 경우 매우 낮은 엔트로피에 해당하는 매우 균일 한 상태에서 시작되었음을 나타냅니다. 그 이후로 엔트로피는 블랙홀의 형성을 통해 무엇보다도 크게 증가했습니다. 그러나 이것은 시간이 지급되는 법칙과 높은 엔트로피 상태가 저지방 상태보다 훨씬 더 가능성이 있다는 사실을 감안할 때 우주의 초기 상태의 예외적으로 낮은 엔트로피를 설명하는 것입니까?

오늘날 과학자들 사이에서 일반적인 가정은 단순히 아직 알려지지 않은 양자 역학적 이유에 대해 우주가 방금 그러한 상태에서 시작되었다는 것입니다. 이것이“과거의 가설”입니다. 물리학의 모든 표준 설명에는 법률과 초기 조건이 모두 포함된다는 사실을 불러 일으 킵니다. 모든 실험실 실험의 결과는 법과 시작된 조건에 의해 결정됩니다. 과거의 가설은이 전통적인 사고 방식을 전체 우주로 확장합니다. 그것은 법과 초기 조건에 의존합니다.

그러나 우주의 가장 눈에 띄는 두 가지 특징들, 즉 우주에서 구조의 꾸준한 구조 성장과 함께 우리 주변의 엔트로피의 성장을 설명하기 위해 설명 할 수없는 초기 조건에 의존한다. 과학자들을 이끄는 것은 현상을 설명하고 이해하려는 욕구입니다. 우리 모두는 Charles Darwin이 자연 선택에 의한 진화의 네 단어로 너무 많이 설명하는 방식을 모방하기를 원합니다. 시간의 화살의 경우, 그것은 말 그대로 삶과 죽음의 문제입니다. 왜냐하면 우리 모두는 출생에서 무덤까지 같은 방향으로 함께 행진하기 때문입니다. 그런 눈에 띄는 질서를 세상에 넣는 것은 무엇입니까?

공동 작업자와 저는 법에만 의존하는 잠재적 인 설명에 부딪쳤다. 우리는 우연히 그것에 왔으며, 그것이 옳거나 그렇지 않을 수도 있습니다. 그러나 적어도 하나의 시간 대칭 법 (중력)이 항상 구조의 단방향 성장으로 이어지는 방법을 보여주는 장점이 있습니다.

우리의 설명의 기초는 우주에서 만들 수있는 가장 간단한 "장난감"모델에 있습니다. 3 개의 입자는 서로에 비해 움직이고, 고정 된 상호 위치로 개최 된 3 개의 끝없는 스파게티 가닥과 같은 무한한 공간의 경로를 추적합니다. 각 곡선의 트리플렛은 다른 모양과 다른 모양을 갖습니다. 우리가 전체 우주를 모델링하려는 경우 합리적인 제한에 따라, 입자에 의해 설명 된 거의 모든 경로 삼중 항은 그림에 나와있는 종류의 종류가 될 것입니다.“우주의 장난감 모델.”

그림의 화살표로 표시된 바와 같이, 우리는 하나의 입자가 왼쪽 하단에서 나오는 반면, 다른 두 입자는 서로 공전하고 오른쪽에서 오는 것을 볼 수 있습니다. 그들이 만나면 복잡한 상호 작용이 있습니다. 그 결과, 그 결과 파트너의 교환이 될 수 있습니다. 그런 다음 단일 입자가 왼쪽 상단으로 날아가고 새로운 쌍은 오른쪽으로갑니다. 파트너의 교환이 없을 수도 있습니다.

두 경우 모두 핵심 요점은 기본 법칙이 시간 방향을 구별하지 않기 때문에 화살표를 되돌릴 수 있고 이야기는 반대 방향으로 똑같이 잘 읽는 것입니다. 완전한 솔루션을 고려하면 프로세스를 통제하는 법이 이야기의 시작 또는 끝을 식별 할 수있는 방법이 없습니다. 시간이 반대가 아닌 한 방향으로 흐르다고 말하는 것은 불가능합니다.

그러나 그림에서 완전한 솔루션을 고려하는 데 흥미로운 대안이 있습니다. 진짜처럼 보이게하겠습니다. 어떤 순간에도 세 개의 입자가 삼각형을 형성합니다. 크기가 있다고 말하면 통치자가 필요합니다. 그러나 그것은 추가적인 것이 될 것이며, 우리는 세 가지 입자에 의해 우주를 모델링하고 싶습니다. 그것은 단지 우리에게 삼각형의 모양을 남겨두고 두 각도로 결정됩니다. 모양이 연속적으로 변하고 정확하게 반복하지 않는 것으로 가정 될 수 있기 때문에, 우리가 모든 삼각형을 주어지면 우리는 두 가지 명확한 순서 중 하나로 분명히 배치 할 수 있습니다.

이제 시간의 순간은 무엇입니까? 우리 모델에는 그들에게 말할 시계가 없습니다. 우리가 가진 것은 모양입니다. 그것들은 모두 다르고 한 줄로 배열 될 수 있으므로 즉시 순간이라고합시다. 원격 유물이기 때문에 달의 변화하는 모양은 데이트 목적으로 사용되었습니다. 그것은 여전히 이슬람 달력과 기독교와 유대인 축제 일을 통제합니다. 우주의 모양을 즉시 순간으로 받아들이는 것은 궁극적 인 달로 만듭니다.

모양의 중요성을 확립 한 후, 세 입자가 모두 크게 상호 작용하는 중앙 영역부터 시작하여 모양이 어떻게 변하는 지에 따라 그림을 해석하겠습니다. 일반적으로 이것은 매우 불규칙한 영역이며 그에 따라 모양이 변경됩니다. “원시 혼돈”에 비유 될 수 있습니다. 이 중앙 지역을 임의로 중앙 지역이라고 부르겠습니다.

이제 화살표가“원시 혼돈”에서 멀어지는 그림의 대각선을 고려하십시오. 왼쪽으로 올라가는 선은 단일 입자를 나타내며, 오른쪽으로 내려가는 뒤틀린 "스파게티"가닥은 궤도 쌍에 더욱 안정적으로 정착하는 쌍을 나타냅니다. 이 쌍은 시계를 정의하는주기적인 프로세스 역할을합니다. 각각의 연속적인 "진드기"는 쌍의 하나의 입자가 입자의 질량 중심을 제 3 입자로 결합하는 선을 가로 지르면 발생합니다. 그것은 우주가 한 줄에 3 개의 입자의 특수한 모양에있을 때입니다. 그래서 우리의 장난감 우주는 실제로 달과 같습니다.

그러나 이제 그림에서 시간의 방향이나 방향을 식별 할 수있는 의미가 있다고 생각합시다. 나는 우리 우주에서 두 가지 반대 효과가 같은 시간 방향을 정의한다고 지적했다. 제한된 지역에서의 장애 (엔트로피)의 성장은 동시에 대규모 우주가 은하, 별 및 행성 시스템 형태로 더욱 풍부하게 구성되고 있습니다. 우리의 모델은 엔트로피의 성장을 모델링하기에는 너무 간단하지만 구조의 성장을 모델링합니다.

실제로, 궤도 쌍을“은하”로 간주 할 수 있으며,“원시 혼돈”에서 나오는 형성은 그림의 단계를 따라 단계를 따라갈 수 있습니다. 따라서, 우리가 고려 된 대각선에주의를 기울이고 혼돈에서 구조의 성장에 의해 시간 방향을 정의한다면, 우리는 가장 기본적인 특징에서 우주 학자들이 우주에서 관찰 한 것과 잘 어울리는 이야기를 얻습니다. 전반적인 모양이 단방향으로 변하는 우주의 이야기입니다.

그러나 물론 다른 대각선이 있으며, 하나는 왼쪽에서 오른쪽으로 오른쪽으로 실행됩니다. 우리가 그것의 화살을 뒤집고 다시 시간의 탄생으로“원시 혼돈”을 취한다면, 우리는 첫 번째와 같은 종류와는 다른“우주의 역사”를 얻습니다. 우리는 하나의 솔루션 내에 두 가지 매우 다른 역사를 가지고 있습니다! 이것은 모두 3 개의 입자로 이루어집니다. 우리 논문에 제공된 이유로, 입자 수가 임의로 증가하면 동일한 종류의 일이 발생합니다. 놀랍게도, 항상 불규칙한 혼란 운동 (“원시 혼란”)은 항상 두 개의 효과적으로 독립적 인 경로가 나오는 두 가지의 영역이 있습니다. 이 모델의 가장 간단한 버전에는 3 개의 입자가 있습니다. 시계는 두 개만 정의 할 수 없기 때문입니다.

하나님과 같은 이론가로서, 우리는 전체적으로 그림을보고 그것이 전체 시간 방향을 정의하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 그림의 우주 안에있는 관찰자는 반드시 내가 역사라고 불리는 두 부분 중 하나 (두 대각선 중 하나)에있을 것입니다. 그것으로 제한되어, 그들은 우리가 시간과 관련된 주요 속성을 관찰 할 것입니다 :과거, 현재, 미래에 대한 분열; 시간을 측정하는 시계; 그리고 시간의 화살을 정의하는 구조의 점진적인 성장. 그러므로 그들은 인물 센터의“원시 혼돈”을 가져갈 것입니다.

그것은 중요한 역사의 복제보다는 각 역사의 본질이라고 말해야합니다. 입자를 추가함으로써 기본적인 종류의 행동은 변하지 않지만 뉴턴의 이론이 아인슈타인의 일반적인 상대성을 모델링 할 것으로 기대할 수는 없습니다. 그러나 아인슈타인을위한 비교적 좋은 모델 인 뉴턴 이론의 매우 특별한 솔루션이 있다는 것은 흥미 롭습니다.

이들에서, "원시 혼돈"은 불규칙한 영역이 아니라 모든 입자가 정확히 같은 지점에 있는데, 그로부터 처음에는 다소 균일 한 분포로 나타나서 안정적인 구조가 형성되기 전에 불규칙 해집니다. 이 경우, 모든 입자가 한 지점에있는 중간에 단 하나의 대각선이 있습니다. 이것은 현대 우주론의 빅뱅의 유망한 모델입니다.

내가 만들고 싶은 요점은 이것입니다. 모델의 모든 솔루션은“혼돈”에서 구조의 단방향 성장을 나타냅니다. 법의 매우 기본적인 요소는 성장이 되돌릴 수 없다는 것을 의미합니다. 근본적인 이유는 논문에 내 공동 작업자와 나 자신이 제공합니다. 또한 우주론에서와 같이 구조의 성장에 의해 시간 방향을 정의한다면, 모든 솔루션은 그 자체로 시간 방향을 구별하지 않는 법에 의해 생성 되더라도 시간 방향을 제공합니다.

3 입자 장난감 모델은 과거의 무언가가 현재 발생하는 원인에 따라 인과 관계에 대한 본능적 인 개념에 의문을 제기합니다. 그림에는 과거가 없습니다. 인과 관계는 그런 식으로 작동하지 않습니다. 법은 하나의 역사 만있는 특별 솔루션의 경우를 포함하여 유일한 원인입니다. 법에 순종하는 모든 해결책은 산맥의 풍경이나 계곡의 길과 같은 영원한 영원에 존재합니다. 시간이 지남에 따라 솔루션으로 인과 관계를 읽는 것은 잘못입니다. 경로는 단순히입니다. 그러나 그들은 더 적은 구조적 지역으로 이끌 수 있습니다. 이 모델은 특별한 초기 조건이없는 법만으로도 시간의 화살을 설명하기에 충분할 수 있음을 증명합니다.

이제 단방향 변화를 나타내는 우리 자신의 우주로 돌아 갑시다. 전통적인 연대기에서 초기 우주는 오늘날보다 훨씬 더 균일했습니다. 우주를 목욕시키는 마이크로파 방사선의 관찰은 온도의 무작위 변동과 10,000에서 약 한 부분의 질량 밀도를 나타냅니다.

우주 학자들은이 상태를 초기 조건으로 받아 들여서 현재 우주가 믿을 수 없을 정도로 풍부한 구조와 거대한 밀도 대비가 어떻게 발생했는지를 현저하게 잘 설명 할 수 있습니다. 따라서 전자 레인지 배경이 현재의 우주 이전에 존재했고 인과 적 메커니즘을 통해 그것을 일으켰다 고 말하는 것은 매우 자연 스럽습니다. 현재의 우주가 전자 레인지 배경을 유발한다고 말하는 것은 완전히 기괴한 것 같습니다. 그러나 최종 분석에서 이것은 어려운 사실이 아니라 본능에 근거한 결론입니다. 본능은 종종 과학의 진보를 방해했습니다.

이 작업은 시작일뿐입니다. 이 모든 것이 단지 세 입자의 상호 작용에서 이미 나온다는 사실은 뉴턴의 중력 법칙과 특정 건축 구조의 아름다운 단순성 때문입니다. 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론은 그들도 가지고 있지만 훨씬 더 풍부한 이론이므로,이 경우 법률만으로는 특별한 초기 상태의 목발없이 시간의 화살을 만들 수 있는지 여부를 아직 말할 수 없습니다. 그러나 그것이 많은 과학자를 포함한 대부분의 사람들이 흘리기가 매우 어렵다는 직관 중 하나라면, 시간이 실재하고 흐름이 좋을 것입니다.

줄리안 바버 (Julian Barbour)는 시간의 본질에 대한 많은 연구를 헌신 한 독립적 인 이론 물리학 자입니다. 2008 년부터 그는 옥스포드 대학교의 물리학 교수로 재직했습니다.

각주

1.이 기사는 Tim Koslowski, Flavio Mercati 및 나 자신의 논문을 기반으로합니다. 독자들은 또한 여기서 나에게 이야기를 볼 수 있습니다. 그의 그림을 사용해 주신 Flavio에게 감사드립니다.