私たちの最高の物理理論によると、あなたは時間について完全に間違って考えています.アインシュタインの一般相対性理論では、「今」という客観的な線は言うまでもなく、過去と未来の間に概念上の区別はありません。また、時間が「流れる」という意味もありません。代わりに、空間と時間のすべてがそこにあるだけです ある四次元構造で。さらに、物理学のすべての基本法則は、順方向でも逆方向でも本質的に同じように機能します。
これらの事実はどれも、私たちの主観的な時間の経験と直接矛盾しているため、簡単に受け入れることはできません.しかし、あまり気にしないでください。物理学者にとっても難しいものです。 受け入れるには、物理学を常識だけでなくそれ自体とも対立させる進行中の緊張があります。物理学者は時間の対称性について語るとき、世界の出来事を説明しようとするとき、未来を引き合いに出すことはできず、過去だけを引き合いに出します。
説明を作成するとき、私たちのほとんどは、300 年以上前にアイザック ニュートンによって定められた用語で考える傾向があります。この「ニュートン図式」は、過去を主要なものとして取り、それを使用して未来を解決し、私たちの宇宙を一度に 1 ステップずつ説明します。一部の研究者は、宇宙を順方向に実行されるコンピューター プログラムの出力であると考えることさえします。時間に対する私たちの見方は前世紀に劇的に変化しましたが、ニュートン スキーマは私たちの最も人気のある物理フレームワークとして何とか存続してきました。
しかし、新しい量子スケールの現象に古いニュートン スキーマの考え方を押し付けることで、適切な説明がまったく得られない状況に陥ってしまいました。これらの現象が説明できないと思われる場合は、単に間違った方法で考えているだけかもしれません。過去だけでなく未来も考慮に入れれば、はるかに優れた説明が得られます。しかし、ニュートン流の思考は本質的に、そのような時間に中立な説明を行うことができません。コンピューター プログラムは一方向にしか実行されず、反対方向に実行される 2 つのプログラムを結合しようとすると、下手なプロットのタイムトラベル映画という逆説的な泥沼に陥ります。過去を扱うのと同じくらい真剣に未来を扱うには、明らかにニュートン スキーマに代わるものが必要です。
そして、私たちはそれを持っています。ほとんどの物理学者は、別の枠組み、つまり空間と時間が平等に分析される別の枠組みをよく知っています。このいわゆるラグランジアン スキーマも古いルーツを持ち、基礎物理学のあらゆる分野で不可欠なツールとなっています。しかし、このアプローチを定期的に使用している物理学者でさえ、ラグランジュ図式を単なる数学的なトリックとしてではなく、世界を説明する方法として考えるという、最後の明白なステップに抵抗しています。おそらく、私たちは自分たちの理論を十分に真剣に受け止めていません.
ラグランジュ スキーマは、未来に基づく説明を許可するだけではありません。 要求 彼ら。未来と過去を同じ立場で扱うことにより、このフレームワークはパラドックスを回避し、新しい説明の機会を利用できるようにします。そしてそれは、物理学が次の大きなブレークスルーに必要とする視点かもしれません.
ラグランジュ スキーマを理解するための最初のステップは、ニュートンの思考の時間的な「流れ」を完全に脇に置くことです。これは、時空領域を全体的に扱うことによって最適に実行できます。つまり、映画の連続したフレームとしてではなく、全期間を一度に考慮することです。時空の領域を、空間的な境界だけでなく時間的な境界 (領域の最初と最後のブックエンド) を持つ境界のある 4 次元構造として描くことができます。
電気からブラック ホールまで、すべての古典物理学は、単純なラグランジュに基づく「最小作用」の原理によって表現できます。時空領域で使用するには、最初に境界全体で物理パラメーターがどのように制約されるかを記述します。次に、その境界内で発生する可能性のある一連のイベントごとに、「アクション」と呼ばれる量を計算します。アクションの値が最も低い一連のイベントは、元の境界制約とその他のいくつかの技術的な注意事項を考慮して、実際に発生するイベントです。
たとえば、光線が点 A から点 B に移動する場合、その動作は移動時間に対応します。実際のパスは、中間の障害物を考慮した最速のルートです。この考え方では、全体の移動時間が最小になるという理由だけで、光線がガラスの界面で曲がります。ラグランジュ スキーマは、量子物理学では少し異なった働きをし、決定的な予測ではなく確率をもたらしますが、基本は同じです:時空の境界制約は依然として一度に課せられます.
ニュートンの論理からすると、これは非常に奇妙に思えます。 A の光線は、予知 (ポイント B と将来の障害について)、膨大な計算能力 (さまざまなパスを調査する)、およびエージェンシー (最速のものを選択する) を持っているようです。しかし、この奇妙さは、ニュートンとラグランジュの考え方が噛み合わないという証拠に過ぎず、おそらく光線を擬人化すべきではないということです.
過去のみによってイベントを説明する代わりに、ラグランジュ スキーマは、決定的に最終的な境界を含む境界制約全体から開始します。最終的な制約 (光線の点 B の位置) を課さないと、このアプローチでは適切な答えが得られません。しかし、適切に使用すれば、数学の成功は、境界制約の論理的な優先順位が明確であることを示します。時空領域の境界は内部を説明します。
ラグランジュのアプローチは、既知の物理学の最もエレガントで柔軟な説明を提供し、物理学者はしばしばそれを好みます。それでも、ラグランジュに基づく原理は広く適用可能であるにもかかわらず、それらを使用する物理学者でさえ、文字通りには理解していません。出来事が将来何が起こるかによって説明されるかもしれないということを受け入れるのは難しい.結局のところ、過去と未来の間には明らかな違いがあります。このように明らかな時間の矢が見えていることを考えると、将来の境界が過去の境界と同じくらい重要になる可能性があるのはどうしてでしょうか?
しかし、ラグランジュ スキーマを因果関係の経験と調和させる方法があります。詳細を見失うことなく、十分に大きく考える必要があります。
彫像のフラッシュ写真を撮るとします。各光線は最小作用原理に従い、その経路を完全に時間対称に説明します。しかし、まとめると、明らかな非対称性があります。最初の境界 A はフラッシュですべて一緒にクラスター化されますが、最後の境界 B は彫像全体に広がっています。さらに、A からの光の広がりは、その逆よりも B での照明の説明に適していることは完全に明らかです。光線経路が逆に見られたとしても、彫像上の光の複雑なパターンのために、光がフラッシュバルブに集中していると主張する人は誰もいないでしょう.
ここでの教訓の 1 つは、満足のいく説明は、単純な所与の観点から複雑な事象を説明するということです。それらは、複数のイベントを説明するために、いくつかの関連パラメーターを含む単一の事実を取ります。これは、どのスキーマを使用していても明らかです。
しかし、この A と B の非対称性はラグランジュの観点への反論ではありません。ラグランジュの観点は、A と B を一緒にすると、その間に何が起こるかの詳細を最もよく説明できると言っているだけです。ラグランジュ スキーマでも、A と B は互いに独立ではありません。それらがどのように関連しているかを確認するには、より大きく考える必要があります。ラグランジュ スキーマの境界フレームワークによると、説明は連鎖しません。彼らは巣を作ります。言い換えれば、イベント A がイベント B につながり、イベント C につながるとは考えていません。代わりに、小さな時空領域全体を扱います。次に、この領域を (空間と時間の両方で) より大きな領域の一部として扱います。同じラグランジュの論理を適用すると、より大きな境界は、元の境界を含む内部のすべてを説明するはずです.
彫像の例でこの手順を実行すると、電球と照明の非対称性が大きくなっていることがわかります。つまり、過去のカメラのフラッシュについては満足のいく説明を見つけることができますが、像の照明については将来に目を向けて説明することはできません。次に、その大きなシステムをさらに大きなシステムで囲むことができます。これを、宇宙全体に対する外部の制約である宇宙の境界に到達するまで続けます。私たちの知る限りでは、そのスケールでは同じ非対称性が見られます。ビッグバン付近では異常で滑らかな物質の分布が見られ、将来的にはより大きな無秩序が見られます。
通常の時空の領域をラグランジュの観点から見ると、最初の境界 (閃光から発散する光線) が最終的な境界 (照らされた彫像) よりも単純であるという事実は、最も近い宇宙の境界が過去にあるという強力な証拠です。この順序付けの一貫性は、比較可能な未来に対応する宇宙境界が存在しないことを意味します。したがって、宇宙の明らかな特徴を最もよく説明するものとしてビッグバンを考えると、時間の明らかな方向は、冷たい窓のそばに立っているときに感じる空間温度勾配と本質的に違いはありません.どちらの場合も、空間も時間も非対称ではありません。それは、最も近い境界制約に対して相対的にあなたがどこにいるかの問題です.
私たちが通常観察する古典的なスケールでは、過去にまだ持っていなかった未来の境界から新しい情報を取得することはありません。これがすべてのスケールで当てはまる場合、将来の境界はまったく問題にならないため、ラグランジュ スキーマは問題になります。しかし実際には、量子の不確実性のレベルにまで踏み込むと、それは真実ではありません。微視的な未来の詳細は、過去だけから推測することはできません。そして、ラグランジアン スキーマの真の力が明らかになるのは、量子スケールです。
量子もつれは、ニュートン スキーマの説明に反する概念です。詳細は私たちの目的には関係ないので、典型的な絡み合い実験の骨組みを考えてみましょう (絡み合った物語を参照)。中央の装置は 2 つの粒子を生成します。左の粒子は、あるコンピューター (「アリス」) によって制御される検出器に送信され、右の粒子は、別のコンピューター (「ボブ」) によって制御される離れた検出器に送信されます。検出器は、独立した乱数によって決定されるいくつかの異なる方法のいずれかで、それぞれの粒子を測定します。アイルランドの物理学者ジョン・ベルが 60 年代に有名に示したように、これらの実験の測定結果は、私たちの通常の説明の試みにしっかりと抵抗する方法で相関しています。
特に、粒子の共有された過去は、少なくともアリスとボブがランダムに選択できる測定設定の全範囲にわたって、測定された相関を説明するのに十分ではありません。もちろん、多くの科学者が望んでいます これらの結果を物理的に説明することはできず、単純な数学で相関関係を説明するだけでは特に満足できません.途方にくれた彼らは、時空のどこにも適切に存在しない神秘的な実体を呼び出していることに気づきます (それ自体で説明を求めます) または、おそらく光よりも速く移動することさえあります (アインシュタインの相対性理論について私たちが知っているすべてのことを露骨に違反しています)。 .
これらの絶望的な選択肢はさておき、粒子がアリスとボブのランダムな設定を事前に予測できれば、自然な説明が見つかる可能性があることに誰もが同意します。しかし、粒子にこの情報を与えるためのほとんどの提案は、さらに必死に聞こえ、不正行為の一種を必要とします:粒子は何らかの形でアリスとボブの乱数発生器へのすべての入力を盗聴し、その情報を使用して将来の検出器の設定を予測します。
これをエンタングルメント実験の価値のある説明として受け入れる人はほとんどいません。これは、ローカライズされたカメラのフラッシュの「説明」を、照らされた彫像の複雑な詳細によるものとして受け入れないのと同じです。このような陰謀論的な説明は、合理的な説明基準に違反しています。推定メカニズムは、説明しようとしている単純な結果よりもはるかに複雑です。
彫像の例では、明白な解決策は、最も単純な境界 (フラッシュ) に注目することです。量子もつれについては、ラグランジュの観点を使用すると、合理的な説明はほぼ明らかです。説明は、検出器の設定の複雑な前兆ではなく、単純な将来の検出器の設定自体にあります。
謎の絡み合った粒子は、図の網掛けの時空領域に存在し、この領域の境界には、それらの準備と最終的な検出の両方が含まれます。 Alice と Bob によって選択された設定は、実際の検出器によって物理的に表現されます。最終的な境界は、まさにラグランジュ スキーマが説明を探すように指示する場所です。私たちがする必要があるのは、粒子がその将来の境界によって直接制約されることを許可することだけであり、エンタングルメント実験の簡単な説明が利用可能になります.この場合、観察結果を最もよく説明できるのは未来と過去です。
量子もつれは、説明として未来を真剣に受け止めることによって解決できる唯一の謎ではないかもしれません.他の量子現象も、根本的なより単純な説明を持つことが判明する可能性があります。これは、遠く離れた場所での行動なしに、通常の空間と時間に存在する可能性のある説明です.おそらく、量子論の確率は、他のすべての科学分野の確率と同じであることが判明するかもしれません:単純にパラメータが不明なためです (パラメータのいくつかは将来にあるため)。
そのような一連の研究は、確かに重要な問題を提起します。未来が過去を制約できるのなら、なぜ結果は量子レベルに限定されるのでしょうか?過去にメッセージを送信するために量子現象を使用できないのはなぜですか?宇宙論的境界はどのスケールで支配的であり、これをすべて機能させるために、ラグランジュに基づくアプローチをどのように一般化する必要がありますか?
このような問題に取り組むことは、物理学に役立つだけではありません。それはまた、私たちが自分自身を四次元宇宙の一部としてどのように見ているかを知らせるかもしれません.たとえば、ラグランジュ スキーマによると、任意の領域の微視的な詳細は、過去の境界によって完全に制約されるわけではありません。脳内の原子のレベルでは、関連性はあるものの、将来的には未知の制約があります。おそらく、この考え方は、過去に起こったことによって未来が純粋に決定されるわけではないという新しい感覚を提供することによって、私たちの自由意志の感覚を説明するのにさえ役立つかもしれません.確かに、固定された過去と開かれた未来との間にきちんとした客観的な違いがあるという考えを再考する必要があります.
科学がより深く、より単純で、より満足のいく説明を発見するたびに、それはさらなる科学的進歩のカスケードにつながってきました.したがって、まだ理解されていない量子現象のより深い説明がある場合、そのより深いレベルを習得することは、量子効果を利用する膨大な数の技術の重要な進歩につながる可能性があります。誤った本能は確かに過去の物理学の進歩を遅らせてきました。しかし、単純に未来に目を向けることができれば、自然の最も深い謎のいくつかを説明するための明確な道があります.
Ken Wharton はサンノゼ州立大学の物理学教授です。元は高強度レーザーの実験者でしたが、現在は従来の時間の概念を再考することで物理学の統一に取り組んでいる理論家です。
ヒュー・プライスはケンブリッジ大学の哲学者教授であり、物理学の時間対称性を探求することで最もよく知られています。この秋から、彼は人工知能の影響を研究するために、レバーヒューム センター フォー ザ フューチャー オブ インテリジェンスのディレクターを務めます。
リード アートは、Christian Mueller / Shutterstock の画像を使用して作成されました
