Время – синоним изменениям или энтропия как основа понятия времени

Более углубленное понимание тех удивительных явлений, которые постоянно происходят в мире квантовой механики, наталкивает нас на необходимость принимать в расчеты не только непосредственные данные, которые мы получаем в том или ином эксперименте с элементарными частицами, но и расширенные показатели с учетом физических объектов (физических тел), которые этот эксперимент производят.

Человек или вообще любой другой живой организм – это открытая термодинамическая, физическая система, которая так или иначе взаимодействует с окружающим миром, а окружающий мир взаимодействует с ней. Человек является самой неотъемлемой частью природы, и, что самое важное, плотно взаимосвязанной ее частью. Заниматься изучением окружающего нас мира, не принимая в учет самого изучающего, человека, со всеми его несовершенствами и ограниченностью (например, анализаторной, рецепторной систем), недальновидно. И, если еще несколько десятилетий назад мы могли себе такое позволить, то сейчас такие ошибки будут стоить чрезвычайно дорого.

В связи с этим мы задаемся вполне разумным вопросом о природе такого загадочного и совершенно неясного понятия как “время”. Что именно мы имеем в виду, когда говорим о нем? Нам кажется, что некая непрерывная стрела времени пронизывает всех и все, – прошлое уже не вернуть, будущее еще не наступило, а настоящее вот оно, здесь и сейчас истинно для всех. Но это лишь абстрактная интуитивная и, в прочем, ложная картинка, которую рисует наш мозг, чтобы хоть как-то ориентироваться в этом мире. Давайте же обратимся к базовым уравнениям, которые с такой поразительной точностью описывают окружающий мир: уравнения Максвелла, законы (начала) термодинамики, уравнения молекулярно-кинетической теории и многие-многие другие. И что же мы увидим? Мы заметим, что в этих самых базовых уравнениях различия прошлого и будущего просто нет. Переменная времени в привычном (непрерывном) ее понимании вообще не нужна для описания мира.

Непрерывность – это лишь такой весьма удачный математический трюк для приблизительного описания, нас это больше удовлетворять не должно. В конце концов, совершенно точно установлено, что мир – не непрерывен, а очень и очень мелко дискретен. Нельзя думать о длительности, как о континууме: мы должны не забывать о так называемых разрывах. Время не течет равномерно, а совершает постоянные скачки. Как известно весь наш мир состоит из полей, поля флуктуируют, т.е. скачкообразно меняются, принимают конкретные значения только при взаимодействиях и теряют определенность при прохождении некоторого известного предела.

Нет ничего такого удивительного, что в той же теории квантовой гравитации отсутствует переменная времени. Это банально вытекающее следствие того, что на фундаментальном физическом уровне просто не существует такой единой специальной переменной. Напомню, что теория квантовой гравитации не описывает, как эволюционируют вещи со временем. Эта теория описывает, как изменяются вещи по отношению друг к другу, как образуются факты мира, объединенные связями с другими.

Полное квантовое уравнение гравитационного поля

Динамику мира можно представить в виде уравнения, которое устанавливало бы какие отношения связывают все описывающие его переменные. Все на равных. Оно должно описывать все, что вообще может произойти, все возможные корреляции и зависимости между переменными. В таком случае совершенно нет необходимости говорить о “времени”. Такое уравнение описывало бы мир, где все задействованные переменные соблюдают вероятностные законы, большую часть которых, как ни странно, мы можем выписать.

На элементарном квантовом уровне нет пространства и времени – есть только процессы, преобразующие одни физические величины в другие, и мы совершенно точно можем вычислять из вероятности и соотношения друг с другом. Мир вовсе не статичен, где любые изменения были бы иллюзорны, напротив, это мир событий, а не мир вещей. «Время» – это всегда синоним изменениям.

Теперь скажем пару слов о нашем интуитивном понимании времени и почему на это хрупкое и ярко субъективное чувство опираться совершенно точно не стоит. Прошлого нет, это лишь наша способность запоминать события, а в реальности его не существует в отрыве от человеческого сознания. Есть только перенос, движение, события. Всегда в вопросах фундаментального знания стоит первоначально отстраниться от субъективного восприятия человеческого мозга и этот случай не исключение. Луна и Солнце движутся циклично, т.е. они так или иначе возвращаются к одним и тем же взаимным соотношениям: число дней, световая и темная фазы, положение стрелок на циферблате часов. Все это очень удобно использовать в качестве систем отсчета. При этом нет никакой явной необходимости выбирать одну особую переменную и называть ее «временем». Чтобы в высшей степени достоверно описать наш мир, на не нужно единой переменной для времени, нам нужно лишь уметь определять, как наблюдаемые нами вещи изменяются одна по отношению к другой. То есть – какие связи мы могли бы установить между этими переменными.

И вот теперь мы можем приступить к здравой описательной модели.

Рис. 1. Зависимость энтропии от температуры вещества

Вся разница между так называемым прошлым и будущем может быть элегантно сведена к тому факту, что в прошлом энтропия мира была ниже. Напомню, что энтропия – это мера беспорядка, т.е., чем меньше наше знание о том, что происходит в той или иной физической системе, тем выше энтропия. Показатель упорядоченности у твердого кусочка льда будет намного выше, чем у воды в бесформенном виде. Стоит заметить, что когда кусочек льда начинает таять, то мы видим наглядно, как увеличивается энтропия, – происходит процесс деградации из упорядоченного к неупорядоченному состоянию.

Формула Больцмана

S=k_BlnΩ

Так вот, энтропия была очень низкой в начальный момент жизни Вселенной, а после постоянно возрастает в соответствии с законом: ∆S ≥ 0.

А согласно третьему началу термодинамики, мы сможем убедится, что при достижении сверхнизких температур «время» будет замедляться, т.е. будет замедляться скорость взаимодействия, а при достижении абсолютного нуля температур, а именно -273,16 градусов по Цельсию, скорость взаимодействия частиц будет равна нулю, энтропия будет нулевая, следовательно, время остановится.

Рис. 2

Возрастание энтропии мы и воспринимаем как течение времени! Это и есть то фундаментальное свойство, та самая стрела, пронизывающее всех и все. Таким образом, данная описательная модель лишает нас возможности опираться на субъективные иррациональные параметры, но взамен дает качественное описательное объяснение, вытекающее из законов термодинамики, которые твердо и многократно проверены и установлены экспериментально.

1. Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). – Издание 3-е, переработанное и дополненное. – М.: Наука, 1974. – 752 с. («Теоретическая физика», том III).
2. Чернин А.Д. Физика времени. – М.: Наука, 1987.
3. Физика атомного ядра и частиц. Факты. Вопросы. Задачи. Учебное пособие; Университетская книга - М., 2014. – 256 c.
4. Элементарное введение в физику элементарных частиц / Л. Б. Окунь. - Изд. 2-е, испр. и доп. - М. - Физматлит, 20с.