時間の物理学に関する議論|物理

保存

アインシュタインはかつて、彼の友人であるミケーレ・ベッソを科学的アイデアの「ヨーロッパで最高の共鳴板」と表現しました。彼らはチューリッヒで一緒に大学に通いました。その後、彼らはベルンの特許事務所で同僚になりました。ベッソが 1955 年の春に亡くなったとき、アインシュタインは、自分の時間も残り少なくなっていることを知っていたので、今や有名になったベッソの家族に宛てた手紙を書きました。「今、彼は私より少し先にこの奇妙な世界を去った」とアインシュタインは友人の死について書いた。「それは何の意味もありません。私たち物理学者にとって、過去、現在、未来の区別は、頑固に永続的な幻想にすぎません。」

アインシュタインの発言は、単なる慰めの試みではありませんでした。多くの物理学者は、アインシュタインの立場は、アインシュタインの傑作、一般相対性理論、および素粒子物理学の標準モデルという現代物理学の 2 つの柱によって暗示されていると主張しています。これらの理論の根底にある法則は時間対称です。つまり、「時間」と呼ばれる変数が増減するかどうかに関係なく、それらが記述する物理学は同じです。さらに、彼らは私たちが「今」と呼んでいる時点については何も語っていません — 私たちにとって特別な瞬間 (またはそのように見える) ですが、宇宙全体について話すときは定義されていないように見えます.結果として生じる時代を超越した宇宙は、「ブロック宇宙」と呼ばれることもあります。これは、時間の流れ、またはその通過がおそらく精神的な構築物またはその他の幻想であるに違いない時空の静的なブロックです。

多くの物理学者は、個々の観測者の視点から宇宙がどのように見えるかを説明することが物理学者の仕事であると主張して、ブロックユニバースのアイデアと和解しました.過去、現在、未来の違いを理解するには、「このブロック宇宙に飛び込んで、『観測者はどのように時間を知覚するのか?』と問う必要があります」と、カリフォルニア大学デービス校の物理学者であり、宇宙インフレーション理論の創始者。

物理学の仕事は、時間がどのように経過するかだけでなく、その理由を説明することであると主張する人もいます。彼らにとって、宇宙は静的ではありません。時間の経過は物理的です。「私はこのブロックの世界にうんざりしています」と、バーイラン大学の元物理学者で哲学者であるアヴシャロム・エリツァーは言いました。「来週の木曜日が今週の木曜日と同じ状況になるとは思わない。未来は存在しません。そうではありません！存在論的には、そこにはありません。」

先月、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所に、約 60 人の物理学者と他の科学分野の少数の哲学者や研究者が集まり、Time in Cosmology 会議でこの問題について議論しました。この会議は、物理学者のリー・スモリン氏によって共催されました。リー・スモリン氏は、ブロックユニバースのアイデアに対する率直な批評家です (他のトピックの中でも特に)。彼の立場はTime Rebornで一般の聴衆のために詳しく説明されていますより技術的な作品では、The Singular Universe and the Reality of Time 、会議の共催者でもあった哲学者ロベルト・マンガベイラ・ウンガーと共著。後者の作品では、将来の具体性の欠如に関するエリツルの感情を反映して、スモリンは次のように書いています。現実にあるのは、「現在の出来事から将来の出来事が生成されるプロセス」であると彼は会議で述べました。

出席者はいくつかの質問に取り組みました。過去、現在、未来の区別。時間が一方向にしか動かないように見える理由。そして時間が根本的なものか創発的なものか。当然のことながら、これらの問題のほとんどは未解決のままでした。しかし、参加者は 4 日間、これらの質問に取り組むための最新の提案に熱心に耳を傾けました。特に、時間の経過に対する私たちの認識を、静的で一見時代を超越した宇宙と調和させる方法に注意を払いました。

敷物の下で一掃された時間

誰もが同意することがいくつかあります。巨視的な世界で私たちが観察する方向性は非常に現実的です。卵はスクランブルできますが、スクランブル解除はできません。エントロピー — システムの乱れの尺度 — は常に増加します。これは、熱力学の第 2 法則にエンコードされた事実です。オーストリアの物理学者ルートヴィヒ・ボルツマンが 19 世紀に理解したように、第 2 法則は、事象が別の方向ではなく一方向に進化する可能性が高い理由を説明しています。時間の矢を説明します。

しかし、一歩下がって、なぜそのような法則が成り立つ宇宙にたまたま住んでいるのかと尋ねると、事態はさらに複雑になります。「ボルツマンが本当に説明したのは、宇宙のエントロピーが今日よりも明日大きくなる理由です」と、カリフォルニア工科大学の物理学者であるショーン・キャロルは、プレゼンテーションの2日目の後にホテルのバーに座っていた. 「しかし、それだけだとしたら、宇宙のエントロピーはおそらく今日よりも昨日の方が大きかったと言えるでしょう。なぜなら、根底にあるすべてのダイナミクスは時間に関して完全に対称だからです。」つまり、エントロピーが最終的に宇宙の基礎となる法則に基づいており、それらの法則が前進も後退も同じである場合、エントロピーは後退に向かって増加する可能性が同じです。間に合います。しかし、エントロピーが実際にそのように機能するとは誰も信じていません。スクランブルエッグは常に全卵の後にあり、その逆はありません。

これを理解するために、物理学者は、宇宙は非常に特別な低エントロピー状態で始まったと提案しました。コロンビア大学の物理哲学者であるデビッド・アルバートが「過去の仮説」と名付けたこの見解では、エントロピーが増加するのは、ビッグバンがたまたま例外的に低エントロピーの宇宙を生み出したからです。上る以外に行くところはありませんでした。過去の仮説は、私たちが卵を調理するたびに、140 億年近く前に起こった出来事を利用していることを示唆しています。「ビッグバンに説明してもらいたいのは、『なぜ壊れていない卵があったのか』ということです」とキャロルは言いました。

一部の物理学者は、他の人よりも過去の仮説に悩まされています。今日の宇宙の物理学について私たちが理解していないことを取り上げて、その答えはビッグバンにあると言うのは、おそらく、責任を転嫁すること、またはカーペットの下に私たちの問題を一掃することと見なされる可能性があります.初期条件を呼び出すたびに、「じゅうたんの下にあるものの山が大きくなります」と、エジンバラの王立天文台の宇宙学者であり、会議の共同主催者であるマリーナ・コルテスは言いました。

Smolin にとって、過去の仮説は有用な前進というよりも、失敗を認めたように感じます。彼がThe Singular Universeで述べたように :「説明すべき事実は、ビッグバンから 138 億年経っても宇宙が平衡に達していない理由であり、これは定義上、最も可能性の高い状態であり、宇宙が最初に始まったという主張によってこれを説明することはほとんど十分ではありません。現在よりも可能性が低い状態です。」

しかし、他の物理学者は、特定の初期条件が与えられたシステムを説明できる理論を開発するのは普通のことだと指摘しています。理論は、これらの条件を説明しようとする必要はありません。

別の物理学者は、過去の仮説は、何もないよりはましだが、最終的な答えというよりは仮の仮説である可能性が高いと考えています。運が良ければ、もっと深いところへの道を示してくれるかもしれません。「過去の仮説は単なる事実であり、それを説明する根本的な方法はないと多くの人が言います。その可能性を排除しません」とキャロルは言いました。「私にとって、過去の仮説は宇宙のより包括的な見方を発展させる手がかりです。」

もうひとつの時間の起源

時間の矢は、過去の仮説を引き合いに出さずに理解できるでしょうか?一部の物理学者は、熱力学ではなく重力が時間の矢を狙っていると主張しています。メキシコ国立自治大学の物理学者であるティム・コスロウスキー氏は、この見方では、重力が物質を凝集させ、複雑さの成長と一致する時間の矢を定義していると述べています。イギリスの物理学者 Julian Barbour と Perimeter の物理学者 Flavio Mercati)。 Koslowski と彼の同僚は、1,000 個の点のような粒子で構成された宇宙の単純なモデルを開発し、ニュートンの重力の法則のみに従い、最大密度と最小複雑さの瞬間が常に存在することを発見しました。その点から離れるにつれて、どちらの方向にも複雑さが増します。当然のことながら、観察が可能な複雑な生き物である私たちは、最小値からある程度離れたところでしか進化できません。それでも、宇宙の歴史のどこにいても、複雑さの少ない時代を指し示し、それを過去と呼ぶことができる、と Koslowski は述べた。モデルはグローバルに時間対称ですが、すべてのオブザーバーはローカルな時間の矢を経験します。低エントロピーの開始点がモデルへのアドオンではないことは重要です。むしろ、そこから自然に出てきます。「重力は本質的に、過去の仮説の必要性を排除します」と Koslowski は言いました。

時間が複数の方向に移動し、私たちがたまたま宇宙の一部に生息しているだけで、局所的に定義された単一の時間の矢があるという考えは、新しいものではありません。 2004年、キャロルは大学院生のジェニファー・チェンと共に、宇宙の始まりの比較的よく知られたモデルである永久インフレーションに基づく同様の提案をしました。 Carroll は、Koslowski と彼の同僚の研究が有用なステップであると考えています。特に、彼らはモデルの数学的詳細を解明したためです (彼と Chen はそうではありませんでした)。それでも、彼にはいくつかの懸念があります。たとえば、重力が彼らの論文で主張されているほど重要な役割を果たしていることは明らかではないと彼は言いました. 「空の空間に粒子があれば、まったく同じ定性的な動作が得られます」と彼は言いました.

Koslowski氏によると、複雑さが増すことには重大な副作用が1つあります。時間の経過とともに構造を維持する物質の特定の配置が形成される.これらの構造は情報を格納できます。 Koslowski はそれらを「レコード」と呼んでいます。重力は、記録の形成を可能にする最初で主要な力です。他のプロセスは、化石や年輪から文書に至るまで、あらゆるものを生み出します。これらすべてのエンティティに共通しているのは、宇宙の以前の状態に関する情報が含まれていることです。脳に保存された記憶は別の種類の記録なのか、コスロウスキーに尋ねてみました。はい、彼は言いました。「理想的には、これまで以上に複雑なモデルを構築し、最終的には携帯電話の記憶、脳の記憶、歴史書の記憶にたどり着くことができます。」より複雑な宇宙には、より複雑でない宇宙よりも多くの記録が含まれており、これが、私たちが過去を覚えていても未来を覚えていない理由だと Koslowski は言いました。

しかし、おそらく時間はこれよりもさらに根本的なものです。南アフリカのケープタウン大学の宇宙学者であるジョージ・エリスにとって、時間はより基本的な存在であり、それ自体が進化しているブロックの宇宙を描くことで理解できるものです。彼の「進化するブロックユニバース」モデルでは、宇宙は増大する時空の体積です。このボリュームの表面は、現在の瞬間と考えることができます。表面は、彼が説明したように、「未来の不確定性が過去の明確性に変わる」瞬間を表しています。「時空そのものが時間の経過とともに成長している。」宇宙のどの部分が固定されているか（過去）、どの部分が変化しているか（未来）を見ることで、時間の方向を見分けることができます。一部の同僚は同意しませんが、エリス氏は、このモデルは標準的な見方の根本的な見直しではなく、修正であることを強調しています。「これは、絶対的に標準的な一般相対性理論の場の方程式によってカバーされるダイナミクスを備えたブロックユニバースですが、常に変化する現在である未来の境界があります」と彼は言いました.この見方では、過去は不変で不変ですが、未来は開かれています。このモデルは「明らかに、通常のブロックユニバースよりも満足のいく方法で時間の経過を表現しています」と彼は言いました。

伝統的なブロックビューとは異なり、エリスの絵は、開かれた未来を持つ宇宙を描いているように見えます。過去の物理的状態が未来の状態を決定する、法に支配された宇宙と一見矛盾しているようです。（エリスが指摘したように、量子の不確実性は、そのような決定論的な見方を沈めるのに十分かもしれません。）会議で、誰かがエリスに尋ねました。 6 月、Brexit 投票の結果を予測できたかもしれません。「物理学を使用していません」とエリスは答えました。そのためには、心の仕組みをよりよく理解する必要があると彼は言いました。

見かけ上の時間の経過をブロック宇宙と調和させることを目的とした別のアプローチは、因果集合論と呼ばれています。 1980 年代に物理学者の Rafael Sorkin によって量子重力へのアプローチとして最初に開発されました。この理論は、時空は連続的ではなく離散的であるという考えに基づいています。この見方では、宇宙は巨視的なレベルでは連続しているように見えますが、いわゆるプランクスケール (約 10 メートルの距離) まで見ることができれば、宇宙は基本単位または「原子」で構成されていることがわかります。時空の。アトムは、数学者が「部分順序集合」と呼ぶものを形成します。これは、各要素が特定の順序で隣接する要素にリンクされている配列です。これらの原子の数 (目に見える宇宙ではなんと 10 個と見積もられている) が時空の体積を生み出し、それらの配列が時間を生み出します。理論によれば、新しい時空原子が継続的に存在しています。インペリアル・カレッジ・ロンドンの物理学者であるフェイ・ドーカーは、会議でこれを「増加時間」と呼んだ。彼女は皆に、時空を新しい時空原子を降着させるものと考えるように勧めました。それは海底が時間をかけて堆積物の新しい層を堆積させるのとおおまかに似ています。一般相対性理論ではブロックしか得られませんが、因果集合は「なる」ことを可能にしているように見えると彼女は言いました。「ブロックユニバースは静的なもの、つまり世界の静的な図ですが、この生成プロセスは動的です。」この見方では、時間の経過は宇宙の創発的な特徴ではなく、基本的なものです。 (因果集合論は、宇宙に関する少なくとも 1 つの成功した予測を行っており、宇宙の時空体積のみに基づいて宇宙定数の値を推定するために使用されていると、Dowker は指摘しました。)

将来の問題

これらの競合するモデルに直面して、多くの思想家は心配するのをやめ、ブロックユニバースを愛する (または少なくとも許容する) ことを学んだようです。

おそらく、ブロックユニバースと日常の経験との互換性を支持するカンファレンスでの最も強力な発言は、アリゾナ大学の哲学者ジェナンイスマエルによるものでした。イスマエルの見方では、適切に理解されたブロック宇宙は、時間の明らかな経過の私たちの経験の説明をその中に保持しています。認知科学と心理学からここ数十年で学んだことによって補完された従来の物理学を注意深く見てみると、「経験の流れ、ヒューという音」を取り戻すことができると彼女は言いました.この見方では、時間は幻想ではありません。実際、私たちはそれを直接体験しています。彼女は、私たちが経験する各瞬間が有限の時間間隔を表していることを示す研究を引用しました.言い換えれば、私たちは時間の流れを推測しません。それは経験そのものの一部です。彼女によると、課題は、物理学によって提供される静的ブロック内でこの一人称体験を組み立てることであり、歴史が空間内の曲線によって表される「埋め込まれた知覚者の進化する参照フレームから世界がどのように見えるか」を調べることです。 -ブロックユニバースの時間。

Ismael のプレゼンテーションはさまざまな反応を示しました。キャロルは、彼女が言ったことすべてに同意すると言いました。 Elitzur は、講演中に「叫びたかった」と言いました。（彼は後で明らかにした：「私が壁に頭をぶつけたら、それは私が未来を嫌っているからです.存在しますが、たとえば次の木曜日の天気に関する記述は、真実でも偽りでもありません。一部の人にとって、これはブロックユニバースビューでは克服できない問題のように思えます。イスマエルは、これらの反論を以前から何度も聞いていました。将来の出来事は存在する、と彼女は言った、それらは今存在しないだけだ . 「ブロックユニバースは変化する絵ではありません」と彼女は言いました.「それは変化の絵です.」物事は起こるときに起こります。「これは一瞬です。ここにいる誰もがこれを嫌うだろうと私は知っていますが、物理学はいくつかの哲学で行うことができます」と彼女は言いました. 「将来の条件付きステートメントの真理値については、長い議論の歴史がありますが、それは実際には時間の経験とは何の関係もありません。」そして、もっと読みたい人のために？「私はアリストテレスをお勧めします」と彼女は言いました.

訂正:2016 年 7 月 25 日に写真のキャプションが改訂され、ジェナンイスマエルの名前のスペルが訂正されました。

保存