FoodPro Preloader

2 Futures kan forklare tidens mystiske fortid


I utviklingen av kosmisk struktur er entropi eller tyngdekraft den mer dominerende kraften? Svaret på dette spørsmålet har dype implikasjoner for universets fremtid, så vel som sin fortid. Fysikere har et problem med tiden. Enten gjennom Newtons gravitation, Maxwells elektrodynamikk, Einsteins spesielle og generelle relativitet eller kvantemekanikk, fungerer alle likninger som best beskriver vårt univers, perfekt hvis tiden går fremover eller bakover. Selv

I utviklingen av kosmisk struktur er entropi eller tyngdekraft den mer dominerende kraften? Svaret på dette spørsmålet har dype implikasjoner for universets fremtid, så vel som sin fortid.

Fysikere har et problem med tiden.
Enten gjennom Newtons gravitation, Maxwells elektrodynamikk, Einsteins spesielle og generelle relativitet eller kvantemekanikk, fungerer alle likninger som best beskriver vårt univers, perfekt hvis tiden går fremover eller bakover.
Selvfølgelig er verden vi opplever, helt annerledes. Universet utvider seg, ikke kontraherer. Stjerner avgir lys i stedet for å absorbere det, og radioaktive atomer forfall snarere enn å reassemble. Omeletter forvandler ikke tilbake til ubrukte egg og sigaretter samles aldri fra røyk og aske. Vi husker fortiden, ikke fremtiden, og vi blir gamle og avtagne, ikke unge og foryngede. For oss har tiden en klar og irreversibel retning. Den flyr frem som et missil, ligninger blir fordømt.
For mer enn et århundre har standardforklaringen for "tidens pil", som astrofysikeren Arthur Eddington først kalte den i 1927, vært at det er en fremvoksende egenskap for termodynamikk, som først ble lagt ut i arbeidet fra det 19. århundre østerrikske fysiker Ludwig Boltzmann. I denne oppfatningen er det som vi oppfatter som tidens pil, egentlig bare den ubønnlige omplasseringen av høybestilte stater i tilfeldige, ubrukelige konfigurasjoner, et produkt av den universelle tendensen for alle ting å avgjøre mot likevekt med hverandre.
Informelt sett er kjernen i denne ideen at «ting faller fra hverandre», men mer formelt er det en følge av den andre loven om termodynamikk, som Boltzmann bidro til å utarbeide. Loven sier at i et lukket system (som selve universet), kan entropi-lidelse bare øke. Økende entropi er en kosmisk sikkerhet fordi det alltid er mange flere uordnede stater enn ordnete for et gitt system, ligner på hvordan det er mange flere måter å spre papirer over et skrivebord enn å stable dem pent i en enkelt haug.
Den termodynamiske pilen av tid antyder at vårt observerbare univers begynte i en usedvanlig spesiell tilstand av høy orden og lav entropi, som et uberørt kosmisk egg som materialiserer i begynnelsen av tiden for å bli ødelagt og forvrengt for all evighet. Fra Boltzmanns æra framover har forskere som er allergiske mot tanken om en slik ulastelig oppfatning, truffet med dette voldsomt.
Boltzmann, som trodde at universet var evig i samsvar med Newtons lover, trodde at evigheten kunne forklare en lavt entropi-opprinnelse for tidens pil. Gitt nok endeløs tid, faktisk - alt som kan skje vil skje, inkludert fremveksten av en stor region med svært lav entropi som en statistisk fluktuasjon fra et tidløst høy-entropiunivers i en tilstand av nær likevekt. Boltzmann myrdet at vi kunne leve i en slik usannsynlig region, med en tidspill som ble satt av regionens lange, langsomt entropiske lysbilde tilbake i likevekt.
Dagens kosmologer har en tøffere oppgave, fordi universet som vi nå vet det ikke er tidløst og unmoving: De må forklare fremveksten av tidens pil i et dynamisk, relativistisk univers som tilsynelatende begynte for 14 milliarder år siden i den brennende forbrenningen av det store smellet. Oftere enn ikke, forklaringen innebærer "finjustering" - den forsiktige og vilkårlig justering av teoriparametere som følger med observasjoner.
Mange av de moderne forklaringene til en lav-entropi-pil av tid innebærer en teori som kalles inflasjon - ideen om at en merkelig utbrudd av antigravitet ballooned det primordiale universet til en astronomisk større størrelse, utjevne det ut i det som tilsvarer en meget lavt entropi stat fra hvilke påfølgende kosmiske strukturer kunne dukke opp. Men å forklare inflasjonen selv synes å kreve enda mer finjustering. Et av problemene er at når inflasjonen begynner, har inflasjonen en tendens til å fortsette ustoppelig. Denne "evige inflasjonen" ville gyde infinitudes av baby universer om hvilke spådommer og observasjoner i beste fall er unnvikende. Om dette er en uønsket feil eller en fantastisk funksjon av teorien, er det et spørsmål om voldsom debatt; For øyeblikket ser det ut til at inflasjonens ekstreme fleksibilitet og forklarende kraft er både den største styrken og dens største svakhet.
Av alle disse årsakene finner noen forskere som søker en lavt entropi-opprinnelse for tidens pil, forklaringer som er avhengig av inflasjon, litt utilfredsstillende. "Det er mange forskere som nå prøver å vise på en naturlig måte hvorfor det er rimelig å forvente at universets første entropi skal være svært lav, " sier David Albert, en filosof og fysiker ved Columbia University. "Det er enda noen som tror at entropien som er lav i begynnelsen av universet bare skal legges til som en ny fysikklove."
Den sistnevnte ideen er lik de fortvivlet kosmologer som bare kaster inn håndkleet. Heldigvis kan det være en annen måte.
Tentativt nytt arbeid fra Julian Barbour fra Oxford University, Tim Koslowski ved University of New Brunswick og Flavio Mercati fra Perimeter Institute for Theoretical Physics, tyder på at kanskje tidens pil egentlig ikke krever en finjustert, lavt entropi opprinnelig tilstand, men er i stedet det uunngåelige produktet av fysikkens grunnleggende lover. Barbour og hans kolleger hevder at det er tyngdekraften, i stedet for termodynamikk, som trekker buebåndet for å la pilens tid fly. Deres funn ble publisert i oktober i fysisk gjennomgang brev .
Lagets konklusjoner kommer fra å studere en overordentlig enkel proxy for universet vårt, en datasimulering av 1000 punktlige partikler som interagerer under påvirkning av newtonsk tyngdekraft. De undersøkte den dynamiske oppførselen til systemet ved å bruke et mål på dens "kompleksitet" som tilsvarer forholdet mellom avstanden mellom systemets nærmeste parpartikler og avstanden mellom det mest separerte partikkelparet. Systemets kompleksitet er på sitt laveste når alle partiklene kommer sammen i en tett pakket sky, en tilstand med minimumsstørrelse og maksimal ensartethet som er omtrent analog med big bang. Lagets analyse viste at i hovedsak alle konfigurasjoner av partikler, uavhengig av antall og skala, ville utvikle seg til denne lavkompleksitetstilstanden. Dermed setter tyngdekraften kraften til systemets ekspansjon og opprinnelsen til tidens pil, alt uten en delikat finjustering for først å opprette en lav entropi-innledende tilstand.
Fra den lavkompleksitetstilstanden ekspanderer partikelsystemet utover i begge tidsmessige retninger, og skaper to distinkte, symmetriske og motsatte piler av tid. Ved hver av de to temporale stiene trekker tyngdekraften partiklene i større, mer ordnede og komplekse strukturer, modellens ekvivalenter av galakse-klynger, stjerner og planetariske systemer. Derfra kan den vanlige termodynamiske passasjen manifestere og utfolde seg på hver av de to divergerende banene. Med andre ord har modellen en fortid, men to futures. Som antydet av tidsforskjellige fysikklover, kan tidens pil på en måte bevege seg i to retninger, men noen observatører kan bare se og oppleve en. "Det er tyngdekrafts natur å trekke universet ut av sitt primære kaos og skape struktur, rekkefølge og kompleksitet, " sier Mercati. "Alle løsningene går i to epoker, som går for alltid i to-timers retninger, delt av denne sentrale staten som har svært karakteristiske egenskaper."
Selv om modellen er rå, og ikke inneholder enten kvantemekanikk eller generell relativitet, er dens potensielle implikasjoner enorme. Hvis det gjelder for vårt virkelige univers, da kan big bang ikke lenger betraktes som en kosmisk begynnelse, men heller bare en fase i et effektivt tidløst og evig univers. Mer prosaisk ville en to-forgrenet tidspiral føre til nysgjerrige forstyrrelser for observatører på motsatte sider. "Denne to-futuresituasjonen vil utvise en enkelt kaotisk fortid i begge retninger, noe som betyr at det vil være i hovedsak to universer, en på hver side av denne sentrale staten, sier Barbour. "Hvis de var kompliserte nok, kunne begge parter opprettholde observatører som ville oppleve tiden i motsatt retning. Eventuelle intelligente vesener der ville definere deres pil av tid som å flytte vekk fra denne sentrale staten. De ville tro at vi nå lever i deres dypeste fortid. "
Barbour sier også at hvis gravitation viser seg å være grunnleggende for tidspilen, kan dette før eller senere generere testbare spådommer og potensielt føre til en mindre "ad hoc" forklaring enn inflasjon for historien og strukturen til vårt observerbare univers.
Dette er ikke den første strenge to-futures løsning for tidens pil. Mest sannsynlig produserte California Institute of Technology kosmologen Sean Carroll og en kandidatstudent, Jennifer Chen, sin egen forgreningsmodell i 2004, en som forsøkte å forklare lavt entropi opprinnelsen til tidens pil i sammenheng med kosmisk inflasjon og opprettelse av baby univers. De tilskriver pilen av tidenes fremkomst i modellen, ikke så mye at entropi er svært lav i fortiden, men heller at entropi er så mye høyere i begge futures, økt av inflasjonsdrevne skapelsen av babyuniverser.
Et tiår på, Carroll er like bullish på utsikteret om at økende entropi alene er kilden til tidens pil, i stedet for andre påvirkninger som tyngdekraften. "Alt som skjer i universet for å skille fortiden fra fremtiden er i siste instans fordi entropien er lavere i en retning og høyere i den andre, sier Carroll. "Dette papiret fra Barbour, Koslowski og Mercati er bra fordi de ruller opp ermene og gjør beregningene for deres spesifikke partikkelpartikkel som samvirker via tyngdekraften, men jeg tror ikke det er den modellen som er interessant. Det er modellens oppførsel som analyseres nøye .... Jeg tror stort sett når du har en fin samling av partikler i en veldig stor plass, får du denne typen generisk oppførsel de beskriver. Det virkelige spørsmålet er, er vårt univers slik? Det er den harde delen. "
Sammen med Alan Guth, Cosmologist fra Massachusetts Institute of Technology, som pionerer inflasjonsteorien, jobber Carroll nå med en termodynamisk respons av sorter til de nye påstandene om en gravitasjonspil av tid: Et annet overordentlig enkelt partikkelbasert modellunivers som også naturlig gir opphav til tidens pil, men uten tillegg av tyngdekraft eller andre krefter. Den termodynamiske hemmeligheten til modellens suksess, sier de, antar at universet har en ubegrenset kapasitet for entropi.
"Hvis vi antar at det ikke er maksimalt mulig entropi for universet, så kan noen tilstand være en tilstand av lav entropi, " sier Guth. "Det kan høres dumt ut, men jeg tror det virkelig fungerer, og jeg tror også det er hemmeligheten til Barbour et al. Hvis det ikke er noen grense for hvor stor entropien kan få, så kan du starte hvor som helst, og fra det utgangspunktet vil du forvente entropi å stige når systemet beveger seg for å utforske større og større områder av faseplass. Evig inflasjon er en naturlig kontekst for å påkalle denne ideen, siden det ser ut til at maksimal mulig entropi er ubegrenset i et evig oppblåsende univers. "
Kontroversen over tidens pil har kommet langt siden Boltzmanns ideer fra 1900-tallet og Eddingtons 20. århundre forestillinger, men på mange måter sier Barbour at debatten i kjernen forblir hensiktsmessig tidløs. "Dette åpner en helt ny måte å tenke på et grunnleggende problem, tidens pil og opprinnelsen til den andre loven om termodynamikk, " sier Barbour. "Men vi undersøker bare et nytt aspekt av Newtons gravitation, som ikke hadde blitt lagt merke til før. Hvem vet hva som kan strømme fra dette med videre arbeid og utarbeidelse? "
"Arthur Eddington utpekte begrepet" pil av tid "og berømt sa at shuffling av materiale og energi er det eneste som naturen ikke kan angre, " tilføjer Barbour. "Og her er vi, og utvilsomt viser at dette faktisk er nøyaktig hva tyngdekraften gjør. Det tar systemer som ser ekstraordinært uorden og gjør dem fantastisk bestilt. Og dette er hva som har skjedd i vårt univers. Vi skjønner den gamle greske drømmen om å komme ut av kaos. "

I motsetning til Sylvester og Tweety får katter vanligvis sine fugler - opptil 3,7 milliarder av demNy sesong på den røde planetenSpørsmål & Svar: Lawrence Krauss på den største historien noensinne fortaltRing meg på MetaphoneVarmere hav knyttet til østkysten orkanutbruddVenter på reformer kan gi det vitenskapelige fellesskapet lindring fra Storbritannias farliggjørende skadereglerItalias oliventre måtte ikke dø6 Supercool Tech Toy Standouts på 2016 International Toy Fair [Slide Show]