Проблема времени - Problem of time
В теоретической физике , то проблема времени представляет собой концептуальную конфликт между общей теории относительности и квантовой механики в том , что квантовая механика рассматривает поток времени как универсальной и абсолютной, в то время как общая теория относительности рассматривает поток времени как податливый и относительна. Эта проблема поднимает вопрос о том, что такое время на самом деле в физическом смысле и действительно ли это реальное, отдельное явление. Это также связано с вопросом о том, почему кажется, что время течет в одном направлении, несмотря на тот факт, что никакие известные физические законы на микроскопическом уровне, похоже, не требуют одного направления. Для макроскопических систем направленность времени напрямую связана с первыми принципами, такими как второй закон термодинамики .
Время в квантовой механике
В классической механике времени придается особый статус в том смысле, что оно рассматривается как классический фоновый параметр, внешний по отношению к самой системе. Эта особая роль видна в стандартной формулировке квантовой механики. Он рассматривается как часть априори заданного классического фона с четко определенной ценностью. Фактически, классическая трактовка времени глубоко переплетается с копенгагенской интерпретацией квантовой механики и, таким образом, с концептуальными основами квантовой теории: все измерения наблюдаемых производятся в определенные моменты времени, а вероятности присваиваются только таким измерениям. .
Специальная теория относительности изменила понятие времени. Но с точки зрения фиксированного наблюдателя Лоренца время остается выделенным, абсолютным, внешним, глобальным параметром. Ньютоновское понятие времени по существу переносится на специальные релятивистские системы, скрытые в структуре пространства-времени .
Переворот абсолютного времени в общей теории относительности
Хотя классически пространство-время кажется абсолютным фоном, общая теория относительности показывает, что пространство-время на самом деле динамично; гравитация - это проявление геометрии пространства-времени. Материя реагирует с пространством-временем:
Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться.
- Джон Арчибальд Уиллер , Джеон, черные дыры и квантовая пена, стр. 235
Кроме того, пространство-время может взаимодействовать с самим собой (например, с гравитационными волнами). Динамическая природа пространства-времени имеет множество последствий.
Динамическая природа пространства-времени с помощью аргумента дырки подразумевает, что теория инвариантна к диффеоморфизму . Ограничения - это отпечаток в канонической теории инвариантности к диффеоморфизму четырехмерной теории. Они также содержат динамику теории, поскольку гамильтониан тождественно равен нулю. Квантовая теория не имеет явной динамики; волновые функции аннулируются ограничениями, а наблюдаемые Дирака коммутируют с ограничениями и, следовательно, являются константами движения. Кухар вводит идею «многолетних растений», а Ровелли - идею «частичных наблюдаемых». Ожидается, что в физических ситуациях некоторые переменные теории будут играть роль «времени», по отношению к которому другие переменные будут развиваться и определять динамику относительным образом. Это сталкивается с трудностями и является разновидностью «проблемы времени» в каноническом квантовании.
Предлагаемые решения проблемы времени
Квантовая концепция времени впервые возникла в результате ранних исследований квантовой гравитации, в частности, из работы Брайса ДеВитта в 1960-х годах:
«В других случаях это просто особые случаи других вселенных».
Другими словами, время - это явление запутанности , которое помещает все равные показания часов (правильно подготовленных часов - или любых объектов, используемых в качестве часов) в одну и ту же историю. Впервые это поняли физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс в 1983 году. Они предложили решить проблему времени в таких системах, как общая теория относительности, под названием «интерпретация условных вероятностей». Он состоит в преобразовании всех переменных в квантовые операторы, один из которых используется в качестве часов, и в постановке вопросов об условной вероятности по отношению к другим переменным. Они пришли к решению, основанному на квантовом явлении запутанности. Пейдж и Вуттерс показали, как квантовую запутанность можно использовать для измерения времени.
В 2013 году в Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) в Турине, Италия, Екатерина Морева вместе с Джорджо Брида, Марко Граменья, Витторио Джованнетти, Лоренцо Макконе и Марко Дженовезе провели первую экспериментальную проверку идей Пейджа и Вуттерса. Они подтвердили, что время - это новое явление для внутренних наблюдателей, но отсутствует для внешних наблюдателей Вселенной, как и предсказывает уравнение Уиллера – ДеВитта .
Подход согласованной дискретизации, разработанный Хорхе Пуллиным и Родольфо Гамбини, не имеет ограничений. Это методы решеточной аппроксимации квантовой гравитации. В каноническом подходе, если дискретизировать ограничения и уравнения движения, результирующие дискретные уравнения несовместимы: они не могут быть решены одновременно. Для решения этой проблемы используется техника, основанная на дискретизации действия теории и работе с дискретными уравнениями движения. Их согласованность автоматически гарантируется. Большинство сложных концептуальных вопросов квантовой гравитации связано с наличием ограничений в теории. Последовательные дискретные теории свободны от этих концептуальных проблем и могут быть напрямую квантованы, что дает решение проблемы времени. Это немного более тонко, чем это. Хотя оно не имеет ограничений и имеет «общую эволюцию», последнее возможно только с точки зрения дискретного параметра, который физически недоступен. Выход рассматривается аналогично подходу Пейджа-Вутерса. Идея состоит в том, чтобы выбрать одну из физических переменных в качестве часов и задать вопросы относительно отношения. Эти идеи, в которых часы также являются квантово-механическими, фактически привели к новой интерпретации квантовой механики - интерпретации квантовой механики Монтевидео . Эта новая интерпретация решает проблемы использования декогеренции окружающей среды в качестве решения проблемы измерения в квантовой механике путем привлечения фундаментальных ограничений, обусловленных квантово-механической природой часов, в процессе измерения в квантовой механике. Эти ограничения очень естественны в контексте общековариантных теорий, таких как квантовая гравитация, где часы следует рассматривать как одну из степеней свободы самой системы. Они также выдвинули эту фундаментальную декогеренцию как способ разрешить информационный парадокс черной дыры . В определенных обстоятельствах поле материи используется для депараметризации теории и введения физического гамильтониана. Это генерирует эволюцию физического времени, а не ограничение.
Ограничения квантования сокращенного фазового пространства сначала решаются, а затем квантуются. Некоторое время этот подход считался невозможным, так как он, по-видимому, требует сначала найти общее решение уравнений Эйнштейна. Однако с использованием идей, включенных в схему аппроксимации Диттриха (построенных на идеях Ровелли), способ явной реализации, по крайней мере в принципе, квантования сокращенного фазового пространства стал жизнеспособным.
Авшалом Элицур и Шахар Долев утверждают, что квантово-механические эксперименты, такие как квантовый лжец, предоставляют доказательства противоречивых историй, и что само пространство-время может поэтому подвергаться изменениям, влияющим на всю историю. Элицур и Долев также считают, что объективный ход времени и относительность могут быть согласованы, и что это решит многие проблемы с блочной вселенной и конфликтом между теорией относительности и квантовой механикой.
Одно из решений проблемы времени, предложенное Ли Смолином, состоит в том, что существует «плотное настоящее» событий, в котором два события в настоящем могут быть причинно связаны друг с другом, но в отличие от представления времени блочной вселенной, в котором все время существует вечно . Марина Кортес и Ли Смолин утверждают, что определенные классы дискретных динамических систем демонстрируют временную асимметрию и необратимость, что согласуется с объективным течением времени.
Время Вейля в масштабно-инвариантной квантовой гравитации
Мотивируемые двусмысленностью Иммирци в петлевой квантовой гравитации и почти конформной инвариантностью стандартной модели элементарных частиц, Чарльз Ван и его коллеги утверждали, что проблема времени может быть связана с лежащей в основе масштабной инвариантностью систем гравитация-материя. Масштабная инвариантность также была предложена для решения проблемы иерархии фундаментальных связей. Как глобальная непрерывная симметрия, масштабная инвариантность порождает преобразованный ток Вейля согласно теореме Нётер . В масштабно-инвариантных космологических моделях этот ток Вейля естественным образом порождает гармоническое время. В контексте петлевой квантовой гравитации Чарльз Ван и др. Предполагают, что масштабная инвариантность может привести к существованию квантованного времени.
Гипотеза теплового времени
Обычно ковариантные теории не имеют понятия об особом физическом времени, относительно которого все развивается. Однако это не нужно для полной формулировки и интерпретации теории. Динамические законы определяются корреляциями, которых достаточно для предсказаний. Но тогда необходим механизм, объясняющий, как знакомое понятие времени в конечном итоге возникает из вневременной структуры, чтобы стать таким важным компонентом макроскопического мира, в котором мы живем, а также нашего сознательного опыта.
Гипотеза теплового времени была выдвинута как возможное решение этой проблемы Карло Ровелли и Аленом Конном как в классической, так и в квантовой теории. Он постулирует, что физическое течение времени не является априори заданным фундаментальным свойством теории, а является макроскопической особенностью термодинамического происхождения.