Обратное течение времени в физике и философии¶
Обратное течение времени — гипотетическая возможность перемещения событий и объектов в прошлое, то есть направления времени вспять. В физике строго обратимыми считаются фундаментальные законы (механика Ньютона, уравнения Максвелла, общая теория относительности), однако наблюдаемый макромир необратим: стакан разбивается, но не собирается сам по себе. Проблема соотношения обратимости фундаментальных законов и необратимости реальности носит название «стрелки времени» и остаётся одной из открытых в теоретической физике.
¶Физическая необратимость
¶Второе начало термодинамики
Главным источником необратимости во физике считается второе начало термодинамики, сформулированное Рудольфом Клаузиусом в 1850-х годах. Согласно ему, энтропия замкнутой системы не убывает. Именно энтропия объясняет, почему процессы идут в одном направлении: газ расширяется, но не сжимается самопроизвольно; лёд тает в тёплой комнате, но не образуется из воды при комнатной температуре. Если записать движение молекул газа на плёнку, то почти любую её часть можно проигрывать назад, и зритель не заметит разницы — на уровне отдельных частиц законы симметричны относительно обращения времени. Нарушение симметрии возникает только на уровне больших ансамблей частиц.
¶Космологическая стрелка времени
Направление времени дополнительно фиксируется космологией: Вселенная находится в состоянии, близком к минимальной энтропии в прошлом (сингулярность Большого взрыва), и энтропия растёт по мере расширения. Если бы Вселенная началась в состоянии максимальной энтропии, «стрелка времени» не имела бы направления. Этот факт связывают с гипотезой Пенроуза о специальных начальных условиях Вселенной.
¶Обратимые и необратимые процессы
| Тип процесса | Примеры | Обратимость |
|---|---|---|
| Фундаментальные взаимодействия | Гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие | Уравнения обратимы по времени (за исключением нарушения CP-симметрии в слабых взаимодействиях) |
| Термодинамические процессы | Расширение газа, теплопередача, трение | Необратимы, энтропия растёт |
| Биологические процессы | Старение, развитие организма | Формально обратимы на уровне молекул, необратимы на уровне организма |
| Гравитационная коллапсация | Образование чёрных дыр | Считается необратимой согласно теореме о необратимости Хокинга |
¶Машина времени и замкнутые петли времени
¶Теория относительности
Общая теория относительности допускает решения с замкнутыми петлями мировых линий (Closed Timelike Curves, CTC). Такие решения нашёл Курт Гёдель в 1949 году для вращающейся Вселенной. Решения с CTC существуют и для вращающихся чёрных дыр (метрика Керра), и для так называемых «космических струн». Однако физический смысл CTC остаётся спорным: большинство исследователей считает, что при учёте квантовых эффектов такие конфигурации не реализуются.
¶Парадоксы
При наличии возможности вернуться в прошлое возникают логические противоречия. Наиболее известен парадокс близнецов путешественника во времени: вернувшись в прошлое, можно помешать собственному рождению. Стивен Хокинг предложил «хронологическую защиту» — гипотезу о том, что законы физики не допускают путешествий в прошлое. Дэвид Дойч в 1991 году предложил квантовое разрешение парадоксов через многомировую интерпретацию: путешественник попадает в параллельную вселенную, где его вмешательство не создаёт противоречий.
¶Квантовая механика и стрелка времени
Уравнение Шрёдингера обратимо по времени, однако измерение в квантовой механике необратимо: коллапс волновой функции не имеет обратного процесса. Дискуссия о том, является ли коллапс реальным физическим процессом или результатом обновления информации наблюдателя, продолжается. Некоторые интерпретации (многомировая интерпретация Эверетта) полностью сохраняют обратимость, считая необратимость иллюзией, возникающей при декогеренции.
¶Регуляторная теория времени Льюиса Кэрролла
В философии проблема «возврата времени назад» связана с проблемой причинности. Льюис Кэррол в 1895 году в диалоге «Что сказал Черепаха Ахиллесу» описал ситуацию, в которой причинная петля не приводит к противоречию, но и не объясняет, почему события происходят именно так. Этот пример обсуждается в современной философии причинности наряду с работами Дэвида Льюиса о причинных петлях.
¶Обратимость в информационной физике
Лео Сцилард и Ричард Фейнман показали, что необратимость можно избежать, если учитывать информацию о микросостоянии системы. Уравнения Ньютона обратимы, если точно знать положения и скорости всех частиц. Проблема необратимости, таким образом, сводится к проблеме неполной информации: наблюдатель не может отследить все степени свободы макроскопической системы. Эта позиция получила развитие в работах Сета Ллойда по вычислительной теории физики.
¶Популярная культура
Тема возврата времени назад получила широкое отражение в художественной литературе и кинематографе: «Машина времени» Герберта Уэллса (1895), цикл «Назад в будущее» Роберта Земекиса (1985—1990), роман Курта Воннегута «Бойня номер пять» (1969), где главный герой «выпадает» из линейного времени. В русской литературе мотив необратимости времени развит в произведениях Владимира Набокова («Дар», «Бледный огонь»).
Источники:
- Клаузиус Р. «О движущей силе теплоты» (1850)
- Гёдель К. «Ein neuer Typ nicht-euklidischer Abstandsmetrik der Raum-Zeit-Physik» (1949)
- Хокинг С. «Chronology protection conjecture» (1992)
- Дойч Д. «Quantum mechanics near closed timelike lines» (1991)
- Кэрролл Л. «What the Tortoise Said to Achilles» (1895)
- Пенроуз Р. «The Road to Reality» (2004)
- Ллойд С. «Programming the Universe» (2006)