Zašto Ethan Siegel nije u redu sa strelicom vremena

Jedan od najčitanijih fizičkih blogova ovdje na Medijumu je "Ethan Siegel" Pokreni s praskom. Ovo je preuzeto iz njegove kolumne u časopisu Forbes, gdje je znanstveni suradnik. Njegov fokus je prvenstveno na njegovom području stručnosti (astrofizika), a prema onome što sam vidio, unosi na tu temu prilično su dobro urađeni. Općenito, preporučio bih ga kao dobar blog i koristan, dobro napisan, izvor informacija većini ljudi.

Ali povremeno se ne slažem s onim što piše Siegel, pogotovo kada se nađu u pitanjima koja ovise o drugim područjima fizike izvan njegove stručnosti.

Na primjer, prošlog mjeseca napisao je komad koji predstavlja pretpostavljenu mogućnost Star Trek stila bržeg od svjetlosnog warp pogona. Nešto u što sam prilično uvjeren da nikada neće biti moguće. (Slažem se s njim da njegova nemogućnost nikada nije dokazana u potpunosti i na odgovarajući način, međutim, mislim da postoje prilično uvjerljivi razlozi da vjerujemo da će se na kraju to i dokazati - samo moramo više razumjeti kvantnu gravitaciju kako bismo je dokazali). Ostavio sam kratak komentar njegova Forbesovog članka spominjući neke od tih razloga.

Ovog mjeseca ima unos na strelici vremena gdje kaže stvari s kojima se ne slažem još snažnije. Zapravo, neke od njegovih tvrdnji o termodinamici i strelici vremena smatram da su potpuno neispravni. Ne sumnjam da postoje drugi fizičari koji bi mogli zauzeti njegovo stajalište, ali ne mislim da je njegovo gledište u skladu s načinom na koji većina stručnjaka za statističku mehaniku i termodinamiku gleda na to. Možda to nije slučajnost, jer jedan od glavnih razloga za koji ne vjerujem da će warp pogoni ikada biti moguć jest taj što mislim da poput prolaznih crvotočina (obje omogućuju zatvorenu vremensku krivulju) nisu u skladu s drugom zakon termodinamike. Većina profesionalnih istraživanja koja sam objavio bila je iz teorijske fizike visokih energija (aka fizike čestica), ali također sam objavila i statističku mehaniku, u časopisu specijaliziranom za tu temu, tako da znam stvar ili 2 o termodinamika (rani naziv za polje statističke mehanike, sada se uglavnom s njom zamjenjuje).

Prvo što primjećujem u vezi sa člankom Ethana Siegela koji me se čini čudnim jest to što čini se da ne prihvaća da je 2. zakon termodinamike (entropija ili se povećava ili ostaje isti) odgovoran za strelicu vremena (vrlo uočljivo asimetrija između izgleda fizike kad trčimo naprijed nasuprot tome kako izgleda kada je trčanje unatrag). Piše:

Iz iskustva znamo da vrijeme teče samo u jednom smjeru: naprijed. Pa odakle dolazi strijela vremena? Mnogi ljudi vjeruju da postoji veza između strelice vremena i količine koja se zove entropija.

i

Dakle, znači li to da vrijeme doživljavamo samo onako kako i zbog drugog zakona termodinamike? Da postoji temeljno duboka veza između strelice vremena i entropije? Neki fizičari tako misle, a to je sigurno mogućnost.

Čak naziva Seana Carrolla, autora jednog od najčešće korištenih udžbenika o općoj relativnosti, i nekoga tko je objavio i istraživačke i popularne knjige o temi strelice vremena, kao "entropiju / navijačku strelicu vremena" kao da veza entropije i strelice vremena samo je slučaj navijača zvjezdanog oka koji pada za moderan trend, nasuprot nedvojbenoj i široko prihvaćenoj činjenici o fizici. Mogli biste tvrditi da u priči može biti više od entropije, ali sugerirati da možda entropija nema nikakve veze sa strelicom vremena za mene zvuči prilično apsurdno. Entropija je bez sumnje središnja stvar o kojoj se raspravlja u većini recenziranih rasprava strelice vremena. Imam izazov za Ethana: ako može pronaći jednu recenziranu publikaciju na strelici vremena (u cijeloj povijesti) koja ne spominje riječ "entropija", tada ću rado prihvatiti tu pridružujuću entropiju sa strelicom vremena je samo slučaj „obožavatelja“, a ne utvrđena činjenica.

Sada je istina da postoji mnogo strelica vremena. Ponekad je korisno razlikovati ih. Smatram da je najvažnija strelica vremena, s kojom bi se većina fizičara složila, povezana s činjenicom da se jajašca spontano ne sastave iz slomljenog stanja u neprekidno stanje, a da se kaširana krema ne spontano miješa s potpuno izmiješano stanje u stanje u kojem se krema nalazi u jednoj mrljici i kavi koja je okružuje. I obično je to vrijeme strelice za koje mislim da bi to ljudi značili kad kažu "strelica vremena". Ova strelica vremena neosporno je posljedica 2. zakona termodinamike, pa nije samo stvar mišljenja da je to povezano s entropijom. Čini se da Siegelovo priznanje u određenom trenutku priznaje da je to istina. Iako se zaključuje na temelju drugih stvari koje piše u djelu, čini se da iz nekog razloga to ne smatra najvažnijom strelicom vremena.

Koje su ostale strelice vremena? Postoji zračna strelica vremena (koja ima veze s pitanjem zašto se vape u ribnjaku kreću prema van iz točke, ali nikada prema unutra). Postoji također ugrađena vremenska asimetrija u mikroskopskim zakonima fizike koja se naziva kršenjem CP-a. (Zakoni fizike čestica su gotovo, ali ne sasvim, vremenski simetrični.) Postoji kosmološka strelica vremena (svemir se širi, a ne smanjuje). A tu je i psihološka strelica vremena (zašto se sjećamo prošlosti, ali ne i budućnosti?) Možda ih ima više, ali ovo su oni koje najviše poznajem. Planiram raspravljati o njima i njihovoj povezanosti u svojoj knjizi, iako ovo poglavlje još nisam napisao.

Tijekom rasprave tijekom povijesti fizike mnogo se raspravljalo o tome da li su različite identificirane strelice vremena povezane ili se mogu svesti na glavnu strelicu vremena koja se u literaturi fizike najdulje nalazila, naime termodinamička strelica vremena. Dakle, ako kažete "strelica vremena" to bi moglo značiti bilo što, ali ako kažete "strelica vremena" to obično znači termodinamičku strelicu vremena.

Zatim čini uobičajenu grešku koju sam vidio preko interneta, a to je moj osobni ljubimac - ponavlja ponavlja rašireni mit da se 2. zakon termodinamike odnosi samo na zatvorene sustave!

Osim, nije potpuno nepovratno. Vidite, postoji upozorenje koje većina ljudi zaboravlja kad je u pitanju drugi zakon termodinamike i povećanja entropije: odnosi se samo na entropiju zatvorenog sustava ili na sustav u kojem se ne dodaje ili oduzima vanjska energija ili promjene entropije. ,

Točno je u smislu da se "entropija povećava samo u zatvorenom sustavu", ali ovo je prilično pogrešna i nejasna izjava jer to možete reći o gotovo bilo kojem zakonu fizike. Otvoreni sustav je onaj gdje postoji sustav koji djeluje na okruženje. Drugi se zakon odnosi na sve otvorene sustave, baš kao i na sve zatvorene sustave. Samo je oblik koji 2. zakon zauzima u slučaju otvorenih sustava malo drugačiji. Kaže da se svako smanjenje entropije u sustavu mora nadoknaditi većim povećanjem entropije okoline (u obliku topline koja izlazi iz sustava). Mislim da Siegel to zna, ali moje je iskustvo da većina ljudi, kad čuju popularizacijske znanosti to kažu, zaključi da to predstavlja nekakvu rupu u 2. zakonu. Ali to se ne razlikuje od toga da kažem da se očuvanje energije odnosi samo na zatvorene sustave i iz nekog razloga nikad ne čujem ljude kako to misle. Bolji način kazivanja je da "svaki put kada pratite energiju, ona se uvijek čuva" i "svaki put kad pratite entropiju, ona se uvijek povećava ili ostaje ista". Ako dopustite da ili iscuri u okoliš, a da ga ne pratite, onda zakon ne možete navesti na potpuno isti način. Ipak, još jedan način da to kažemo jest da se lokalno, energija uvijek čuva. A lokalno se entropija uvijek povećava. Ali na globalnoj razini to vrijedi samo za zatvorene sustave jer nova entropija proizvedena u bilo kojem fizičkom procesu ne mora ostati tamo gdje je proizvedena - može napustiti sustav ako je otvoren. Slično tome, jedini sustav u kojem možete reći da je energija globalno očuvan je zatvoreni sustav, jer se u protivnom može kretati ili izlaziti. Važna točka drugog zakona je da svi fizički procesi povećavaju entropiju - razdoblje. Nije važno nalaze li se u nekom zatvorenom spremniku ili ne.

Izjava „2. zakon se odnosi samo na zatvorene sustave“ je sjajan primjer onoga što mislim kada govorim o lošim prijevodima fizike. Ako se na pravi način tumači, "entropija se samo povećava u zatvorenom sustavu" može se smatrati ispravnom, ali toliko je zabludajuća da se može objasniti termodinamikom. I ne dobiva se ništa posebno ili važno u tome kako djeluje drugi zakon i što on znači. Osobno mislim da to uvijek treba izbjegavati. Postoje savršeno dobre formulacije drugog zakona koje se primjenjuju na otvorene sustave, a poučavaju se jednako često u učionici kao i verzije koje se primjenjuju na zatvorene sustave.

I sada dolazimo do trećeg i vjerojatno najvažnijeg neslaganja koje imam sa Siegelom u vezi termodinamike i strelice vremena. Pri kraju svog djela dolazi do lažnog zaključka:

Evo udaraca: čak i ako ste živjeli u kutiji i niste uspjeli otkriti postojanje demona - drugim riječima, ako ste sve radili živjeli u džepu Svemira koji je vidio da se njegova entropija smanjuje - vrijeme će i dalje teći prema naprijed , Termodinamička strelica vremena ne određuje smjer u kojem opažamo prolazak vremena.

To slijedi prilično standardnu ​​raspravu o Maxwell-ovom demonu - također nešto o čemu planiram razgovarati u svojoj knjizi. Nemam neslaganja sa njegovim opisom Maxwellovog demona, osim zabludnih komentara otvorenih sustava. Ali potpuno se ne slažem s onim što je gore navedeno. Tvrdi da termodinamička strelica vremena ne određuje ono što se obično naziva psihološkom strelicom vremena - smjer u kojem percipiramo vrijeme koje prolazi. Pa ipak, postoji prilično čvrst argument da psihološka strelica vremena zapravo uvijek određuje termodinamička strelica. Moje je mišljenje da su oni u konačnici jedno te isto. Argument je objavljen u recenziranim časopisima u više različitih oblika. Koliko sam svjestan, nitko nije uspio opovrgnuti ovu tvrdnju, a mnogi se ljudi (uključujući i mene) još uvijek strastveno slažu s tim.

Čak je udvostručio svoje odbacivanje mogućnosti da je termodinamička strelica uvijek povezana sa strelicom percepcije dalje govoreći:

Pa odakle dolazi strijela vremena koja je u korelaciji s našom percepcijom? Ne znamo. Ono što znamo, međutim, je da termodinamička strelica vremena nije to.

Možda je istina da ne znamo sa sigurnošću da psihološka strelica vremena korelira sa termodinamičkom strelicom vremena, ali kao što spominjem, postoji prilično čvrst argument da je to tako (potkrijepljeno puno matematike i fizike). Osobno mislim da je izjava „znamo da je termodinamička strelica vremena odgovorna za naše poimanje strelice vremena“ mnogo bliža istini nego njegova točno suprotna tvrdnja „znamo da nije“. Iako ću priznati da bi bilo dobro kada bi ljudi pisali više o ovoj temi, pomažući da se jasnije kaže kako se psihološka strelica vremena svodi na termodinamičku strelicu.

Nedavni članak koji je detaljno iznio te argumente objavio je u svibnju 2014. Leonard Mlodinow i Todd Brun pod naslovom Odnos psiholoških i termodinamičkih strelica vremena. (Besplatni pretisak za njega možete pronaći ovdje: https://arxiv.org/abs/1310.1095). Ali argument za ekvivalentnost psihološke i termodinamičke strelice vremena seže do 80-ih i 90-ih. Stephen Hawking među prvima je predložio takvu ekvivalentnost, a koliko sam saznao, nikada se nije predomislio u osjećaju da takva ekvivalencija mora postojati.

David Wolpert prilično je dobro objasnio zašto se psihološka percepcija vremena za ljude poklapa s termodinamičkom strelicom u svom radu Memorijski sustavi, računarstvo i drugi zakon termodinamike, ističući da ljudsko pamćenje djeluje slično kao i fotografsko memorija (kako se slika utiskuje na fotografiju pomoću kamere). Međutim, ostavio je otvorena vrata da bi, možda, mogla postojati neka vrsta nečovječne svijesti koja ima obrnutu psihološku strelicu vremena (poput AI čije se sjećanje temelji na potpuno reverzibilnom računalu). Ova rupa je sada zatvorena, kao što su Mlodinow i Brun dokazali (pod prilično razumnim nizom pretpostavki) da bez obzira na to kakvo ste živahno biće, sve dok ima neku vrstu memorije koja ga čini sposobnim pamtiti bilo što , ta sjećanja uvijek će biti iz termodinamičke prošlosti, a ne termodinamičke budućnosti. Možda bi netko mogao pronaći daljnje rupe u argumentaciji ili bi možda jedna od pretpostavki bila pogrešna ili će joj trebati pojašnjenja. Vrata možda još nisu potpuno zatvorena. No teret dokaza leži na ljudima poput Ethana Siegela (koji odbijaju vjerovati da je psihološka strelica određena termodinamičkom strelicom) da negdje u argumentu postoji nedostatak.

Rani oblik ovih argumenata motiviran je Landauerovim principom (od 1980-ih) da za brisanje 1 bita informacija u bilo kojem računarskom sustavu nužno treba rasipanje kT ln (2) topline i uvijek će rezultirati porastom entropija barem k ln (2) (k je ovdje Boltzmannova konstanta, a T je temperatura.) Landauerov princip je zakon fizike koji je otkriven izravno putem razmišljanja Maxwellovim eksperimentom demona, i obično se prihvaća kao važan dio rezolucije Maxwell-ovog demonovog paradoksa (zašto se može dogoditi da sićušno mikroskopsko osjetilno biće koje se pokorava zakonima fizike krši 2. zakon termodinamike, ali zapravo ga ne može prekršiti). Do sada postoji dovoljno dokaza za Landauerov princip i on počiva na vrlo čvrstom teorijskom osnovu. Zapravo, ako to nije bila istina, mislim da je sigurno reći da bi Maxwell-ov demon i dalje bio neriješen paradoks - iako Siegelov komad daje dojam da prihvaća da je riješen (tj. Demon zapravo ne krši 2. zakon ).

Najnovijeg argumentacije kojeg sam svjestan, Mlodinow i Brun, su navedeni uvjeti za ono što bi moglo predstavljati funkcionalno pamćenje. Ono što je također važno, mora biti dovoljno općenito za snimanje bilo koje vrste informacija s kojima se susreće, a ne osmišljeni uređaj posebne namjene posebno dizajniran za pamćenje određenih stvari (to bi u osnovi značilo sadnju lažnih sjećanja, umjesto da mu dopuštaju nova iskustva i spremaju nove sjećanja prirodno). I još jedan važan uvjet je da mora biti snažan za male poremećaje ili sustava ili živog bića / uređaja za snimanje. To znači da ako postoji vrlo mala promjena u mozgu entiteta koji bilježi sjećanja, on ne može iznenada u potpunosti promijeniti ta sjećanja. I slično, ako dođe do neznatne promjene u promatranom sustavu, to neće u potpunosti promijeniti zabilježeno opažanje. Obojica izgledaju kao razumni kriteriji, a teško je zamisliti kako bi se moglo izgraditi živahno biće bilo koje vrste (bilo na bazi silicija, na bazi ugljika, bilo izvanzemaljsko) koje se ne drži ovih osnovnih kriterija.

Kao što je gore spomenuto, važan kriterij za koji su mnogi smatrali da je potreban u 1990-ima - da sjećanja budu nepovratna, kakva jesu u ljudi - sada se pokazao nebitnim. Argument zasnovan na nepovratnosti i dalje je relevantan i pokriva gotovo sve slučajeve koji bi se mogli zamisliti - to nije najopćenitiji argument koji se može dati.

Pa što je pošlo po krivu sa Siegelovom tvrdnjom da "ako bi sve radili bilo živjeti u džepu Svemira koji je vidio da se njegova entropija smanjuje - vrijeme bi i dalje težilo naprijed za tebe"? Pretpostavka je pogrešna. Jedan od načina da to kažemo jest: ne možete se naći u "džepu svemira" gdje se entropija smanjuje, jer entropija uvijek raste. Mislim da je ta greška upravo ona vrsta pogreške koja se dogodi kada ljudi počnu govoriti pogrešne stvari poput „entropija se samo povećava u zatvorenim sustavima“. Unatoč Internetu, 2. zakon primjenjuje se na bilo koji sustav, bilo otvoren ili zatvoren.

Istina je da ste se mogli naći u sobi u kojoj je ukupna entropija u sobi 1 sat prije bila veća od ukupne entropije u sobi trenutno. Ali to nije zato što zakoni termodinamike djeluju unatrag. To samo znači da bi, bez obzira na procese koji su se dogodili u sobi u proteklih sat vremena, moralo proizvesti mnogo topline, te da je toj toplini bilo dopušteno da tijekom tog sata pobjegne iz sobe. I dalje vidite kako se stvara toplina (i pridruženi porast entropije). Ako su vrata sobe otvorena, onda da, postoji mogućnost da ta toplina pobjegne iz sobe, što smanjuje „potpunu entropiju u sobi“, irelevantnu umjetnu količinu. Ali u oba slučaja, vidite da zakoni termodinamike djeluju u istom smjeru kao i obično. Otvaranje vrata kako bi se malo ugrijalo ni na koji način ne okreće termodinamičku strelicu vremena. Niti preokreće vašu psihološku strelicu vremena, jer jednostavno nije moguće vidjeti da zakoni termodinamike djeluju obrnuto.

Ali što ako, radi argumentacije, pretpostavimo da nekako postoji neki džep svemira u kojem se iz nekog razloga zakoni termodinamike doista pokreću obrnuto? (Suprotno načinu na koji funkcionira naš svemir.) Drugim riječima, smanjenje ukupne entropije u sobi nije samo zato što je nešto topline izlazilo kroz vrata. To je zato što se entropija u sobi spontano smanjuje. Ako je to slučaj, termodinamička strelica vremena u toj sobi doista je preokrenuta. I u tom slučaju, vjerujem da nije u pravu što bi psihološka strelica vremena mogla i dalje ići naprijed - također bi se trebala preokrenuti. Ono što biste mislili o budućnosti i dalje bi bio smjer s niskom entropijom, a ono što biste mislili o prošlosti i dalje će biti smjer visoke entropije. To je zato što je naša psihološka percepcija vremena uvijek povezana s termodinamičkom strelicom vremena. Zapravo, ono što obično mislimo pod riječju "prošlost" je "donji entropijski smjer vremena". A što znači pod nazivom "budućnost" je "viši entropijski smjer vremena". Moguće su i druge stvari, poput zračne strelice vremena, koje nisu sasvim jednake termodinamičkoj strelici, ali one su iz sličnih razloga korelirane s termodinamičkom strelicom. Analogno tome, funkcija funkcionira na isti način kao što to čini drugi zakon.

Za kraj, samo ću ukratko komentirati ostale strelice vremena koje su uglavnom protekle. Postoje dvije strelice vremena koje stvarno nemaju nikakve veze sa termodinamičkom strelicom: kosmološka strelica vremena (svemir se trenutno povećava) i fizika čestica fizike strelice vremena (kršenje CP-a). Oboje predstavljaju asimetrične parametre u temeljnim zakonima fizike. Ali bilo koji od njih se može lako preokrenuti bez utjecaja na termodinamičke, zračne ili psihološke strelice. Strelica za fiziku čestica toliko je neprimjetna na makroskopskoj ljestvici da se o njoj nije znalo sve do 1964. godine i pojavila se samo u raspadima rijetkih čestica umjetno proizvedenih u laboratoriju. Da nije bilo toga, ovaj put nitko ne bi ni primijetio asimetriju. (Usporedite to s termodinamičkom strelicom, o kojoj se raspravlja od 1800-ih). Kozmološka strelica slična je strelici fizike čestica. Bilo je to malo uočljivije (prvo otkriveno / pretpostavljeno 1920-ih, na kraju potvrđeno - slučajno, također 1964.), ali i dalje ne čini mnogo razlike u našem svakodnevnom životu. To nema nikakve veze s pitanjem zašto vidimo kako se jaja razbijaju, ali da se spontano ne liječe. Ako bi se svemir počeo ugovarati, nema razloga misliti da će se termodinamička strelica (ili psihološka strelica) preokrenuti. Zakoni termodinamike odvijali bi se kao i obično. I mi bismo i dalje gledali niski pravac entropije kao prošlost, a visoki smjer entropije kao budućnost.