Парадокс времени. Необратимость времени – стрела времени.

Министерство образования  и науки РФ

  Пермский научно-исследовательский политехнический университет

Кафедра: Физики

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Концепциям современного естествознания

на тему:

 Парадокс времени. Необратимость времени – стрела времени.

 

Выполнила студентка

Гуманитарного факультета

Заочного отделения

Направление:

Управление персоналом

Группа УП-11Б

Трапезникова Ксения Леонидовна

Проверил преподаватель:

Кротов Лев Николаевич

 

 

 

Пермь 2011

Содержание:

Введение 3

1. Парадокс  времени 4

2. Необратимость времени 6

3. Стрела  времени 9

Заключение 14

Список  литературы 15

 

 

Введение

Время - одна из величайших загадок Вселенной. Река времени уносит нас всех без исключения, независимо от нашего желания и даже против воли.

Каждый из нас в какой-то момент задумывался о странной и  загадочной природе времени и  о том, как сильно время отличается от пространства. Если в пространстве мы можем без труда двигаться  в любом направлении, то почему во времени все иначе? Каждый из нас  задумывался и о том, что ждет человечество после нас. Век отдельного человека ограничен, но всем нам ужасно интересно все, что произойдет в  будущем, после нас.

Пространство и время - основные формы существования материи. Не существует пространства и времени, отделенных от материи, от материальных процессов. Пространство и время вне материи есть не более чем пустая абстракция[7].

Наиболее важной проблемой является проблема законов природы. Эту проблему «ставит на первый план парадокс времени». Мотивацией к рассмотрению вопроса парадокса времени послужил тот факт, что парадокс времени не существует сам по себе, с ним тесно связаны два других парадокса: «квантовый парадокс» и «космологический парадокс», которые, в конечном счете, могут привести к решению парадокса времени.

В то же время возникли некоторые  проблемы, лежащие скорее в области  не математики, а философии физики. Различные физические теории – старые и новые – «не стыкуются» друг с другом в отношении определённых фундаментальных понятий и явлений - в частности, детерминизма и необратимости времени.

Целью контрольной работы является рассмотреть проблему парадокса времени, проследить, в чем заключается необратимость времени и изучить «стрелы времени».

 
 

1. Парадокс времени

 

Время - форма и последовательность смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Универсальное свойство времени – длительность, неповторимость, необратимость. Следует различать время как локальный параметр, связанный с движением частиц, и время как характеристику изменения формы системы, т.е. необратимого движения системы ее состояния.

Пространство и время  вместе образуют пространственно –  временной континуум, единый четырехмерный  мир, в котором мы живем. С точки  зрения метрики время является четвертой  мнимой пространственной координатой. Поэтому метрика пространства-времени  псевдоевклидова. При этом время  похоже на координату, однонаправлено движущуюся с постоянной скоростью. Остальные три пространственные координаты – длина, ширина и высота – действительны и ортогональны (перпендикулярны) времени. Материя, которая  находится в четырехмерном мире, искривляет пространство-время вследствие тяготения. Существует предположение, что пространство-время может состоять из своих квантов.[3]

Материя существует в пространстве и времени. В повседневной жизни  при малых скоростях понятия  пространства и времени кажутся  независимыми. Однако пространство и  время образуют единый четырехмерный  пространственно-временной мир, что  проявляется при скоростях движения, близких к скорости света¹.

На становление парадокса времени  было обращено внимание в конце XIX века. В труде Анри Бергсона «Творческая эволюция» высказывалась мысль о том, что наука успешно развивалась только в тех случаях, когда ей удавалось свести происходящие в природе процессы к монотонному повторению, иллюстрацией чего могут служить детерминистические законы природы[6]. Но всякий раз, когда наука пыталась описывать созидательную силу времени, возникновение нового, она неизбежно терпела неудачу.

Одна из целей которую преследовал  Бергсон при написании своего труда «Творческая эволюция», было «намерение показать, что целое имеет такую же природу, как и я»[4].

В книге «Порядок из хаоса» была изложена история физики XIX века в центре, которой была проблема времени. Так во второй половине XIX века возникли две концепции времени соответствующие противоположным картинам физического мира, одна из них восходит к динамике, другая к термодинамике[1].

Парадокс времени «ставит перед нами проблему законов природы». Эта проблема требует более детального рассмотрения. По Аристотелю живые существа не подчиняются никаким законам. Их деятельность обусловлена их собственными автономными внутренними причинами. Каждое существо стремится к достижению своей собственной истины. В Китае господствовали взгляды о спонтанной гармонии космоса, своего рода статистическом равновесии, связывающем воедино природу, общество и небеса[6].

Парадокс времени не существует сам по себе. С ним тесно связаны  два других парадокса: «квантовый парадокс» и «космологический парадокс».

Между парадоксом времени и квантовым  парадоксом существует тесная аналогия. Сущность квантового парадокса заключается  в том, что ответственность за коллапс² несет наблюдатель и производимые им наблюдения. Следовательно, аналогия между двумя парадоксами заключается в том, что человек отвечает за все особенности, связанные со становлением и событиями в нашем физическом описании.

Теперь, надо отметить третий парадокс - космологический парадокс. Современная космология приписывает нашей вселенной возраст. Вселенная родилась в результате большого взрыва около 15млд. лет назад. Ясно, что это было событием. Но в традиционную формулировку понятий законов природы события не входят. Это и поставило физику на грань величайшего кризиса. Хокинг написал о Вселенной так: «…она просто должна быть, и все!»[5, с. 123]. 

2. Необратимость времени

 

Иногда полагают, что «роковое стечение обстоятельств создает необратимость времени», иначе говоря, время течет в одном направлении от прошлого к будущему потому, что в мире существуют случайные события.

Но как доказано, время течет только в одну сторону благодаря существованию детерминированных (то есть причинно обусловленных) событий.

Обратное течение времени - это такой порядок смены состояний Вселенной, который противоположен наблюдаемому нынче, иначе говоря, время течет из будущего в прошлое.

Случайное событие - это такое событие, которое не имеет предыстории. Такие события существуют («Бог играет в кости»). Например, время жизни радиоактивного элемента не зависит от предыстории. Следовательно, никаких причин, определяющих распад, нет. То есть самопроизвольный распад ядра радиоактивного атома - чистый случай.

Детерминированное событие (причинно обусловленное, не случайное) - это такое событие, которое имеет предысторию. Иначе говоря, существуют причины, вызвавшие это событие и позволяющие «восстановить историю», определить некоторое прошлое событие, являющееся причиной рассматриваемого. Например, нахождение Земли в определенный момент времени в определенной точке своей орбиты обусловлено ее нахождением в предыдущий момент времени в соседней точке орбиты, а также взаимным гравитационным притяжением Земли и Солнца и значениями их масс и скоростей.

В этих определениях молчаливо предполагается, что ясность смысла слова «предыстория».

Если бы все события в мире были строго детерминированы, то в принципе было бы возможно установить всю цепочку причин, приведших объект из некоторого прошедшего состояния к нынешнему. То есть в этом случае прошлое было бы восстановимо. На самом деле в полной мере прошлое невосстановимо; будущее было бы полностью известным. На самом деле оно лишь статистически предсказуемо.

Происходит все так потому, что  большинство реальных процессов  состоит не только из детерминированных  событий, но и из случайных, которые  при переходе из прошлого в будущее  прерывают причинную цепь, так  как не имеют предыстории. Поэтому  текущее состояние мира позволяет  оценить прошедшие (как и будущие) события только на вероятностной  основе, опираясь на память и аналогии. Например, если бы не было представлений о динозаврах, то обнаруженный «здесь» и «теперь» след динозавра интерпретировался бы нами как игра природы. Короче говоря, речь всегда идет просто о более или менее вероятных оценках, как прошлого, так и будущего.

Существование случайных событий  означает также, что возврат в  прошлое не имеет ничего общего с  обратимостью времени. Действительно, если бы вдруг все во Вселенной  изменилось так, что ее состояние  совпало бы с состоянием, имевшим  место быть в какой то момент 19 века, то происходившие в то время  случайные события не могли бы в точности повторяться вновь (иначе  они не были бы случайными, а имели  бы предысторию), и Александр Сергеевич  Пушкин, возможно, не был бы убит, и  время текло бы в том же направлении, что и сейчас.

Обратимость времени, как уже отмечалось, - это возможность прохождения Вселенной своих состояний в обратном порядке, возможность времени течь из будущего в прошлое. Чем же характеризуются прошлое и будущее?

Если прошлые события оставляют  следы в памяти (прошлую информацию), то главная характеристика будущего - это, во-первых, отсутствие какой бы то ни было памяти о будущих событиях, отсутствие «будущей» истории. Во-вторых, это «новизна», появление новой информации благодаря существованию случайных событий (детерминированные события не несут в себе никакой новизны, так как они полностью предсказуемы). Собственно, эта новизна и определяет самое течение времени, так как в противном случае прошлое, настоящее и будущее были бы однозначно заданы.

При обратном ходе времени Вселенная  проходит свои состояния в обратном порядке. В этом случае «будущая» история превращается в «предысторию». То есть все события, которые при прямом течении времени были «будущими», становятся «прошлыми», сохраняя свойство «будущих событий»: не оставлять никаких следов в структуре объектов. Отсюда следует, что при обратном течении времени все прошлые события должны быть случайными. (Это необходимо, но не достаточно для возможности обратного течения времени).

Но поскольку мир устроен  так, что не все события случайны, что действуют законы природы, определяющие причинные ряды событий, постольку  обратный ход времени невозможен. И поэтому вопрос о том, почему время не течет вспять, сводится к вопросу о том, почему существуют детерминированные события (например, гравитационное притяжение тел). Наука, к счастью, не занимается поиском  ответов на подобные вопросы.

Итак, необратимость времени определяется существованием в мире детерминированных событий, а его течение - существованием случайных событий (поскольку новый момент времени только тогда новый, когда появляется новая информация, значит, происходит какое-нибудь случайное событие). Этот вывод обоснован, разумеется, в той мере, в какой справедливы принятые ранее определения случайных и детерминированных событий. 

3. Стрела времени

 

Стрелы времени - метафорическое название эмпирических индикаторов направления времени. Представления о направленности и необратимости времени, определяющие понятие «стрелы времени», имеют всеобщее распространение в физической литературе.

Сложилось устойчивое мнение, что об однонаправленности времени  свидетельствуют фундаментальные  физические процессы, протекающие в  одном направлении. Они якобы  и определяют соответствующие стрелы времени. Наиболее часто выделяют три  стрелы: термодинамическую, космологическую  и волновую. На примере анализа  указанных стрел можно показать: никакой однонаправленный процесс не может определить ход, течение и направленность времени; необходимо четко отделять направленность времени от направленности процессов.  

1. Термодинамическая стрела времени. Эту стрелу связывают со вторым началом термодинамики, которое утверждает, что любая изолированная система всегда стремится к состоянию термодинамического равновесия, в ходе которого энтропия возрастает. Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Отсюда возникает идея, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления с возрастанием энтропии.

Очень простое опровержение такого подхода предложил А.Д. Чернин. Ход его рассуждений таков. Рассмотрим обычные маятниковые механические часы, висящие на стене. Качание маятника - это обратимое и периодическое  явление с точностью до трения в подвесе и о воздух. Хотя наличие  трения делает это явление необратимым, часы показывают время вовсе не потому, что имеется трение; наоборот, часы тем точнее указывают время, чем  меньше в них трения. Идеальные  часы - это часы, в которых вовсе  отсутствует трение. Следовательно, необратимые явления в самих  часах или вокруг них вовсе не причем. Если течение времени определяется движением Вселенной (или каких-либо больших макроскопических систем) к тепловому равновесию, то часы должны были бы как-то его чувствовать. Для этого требуется какое-то постоянное физическое воздействие на часы, которое непрерывно сообщало бы им, что происходит с Вселенной. Однако современная физика ничего не знает о такого рода процессах. Значит, время, которое показывают часы, не имеет никакого отношения к глобальным процессам во Вселенной.