Warum fließt die Zeit nach vorne?

(ISNS)--ist fast nichts näher, als die Tatsache dieser Zeit aus der Vergangenheit, die wir uns erinnern fließt, auf die Zukunft, die wir nicht. Wissenschaftler und Philosophen nennen dies die psychologische Zeitpfeil. Heißen Kaffee links auf Ihrem Schreibtisch abkühlt und nie allein, heizt die widerspiegelt die thermodynamischen Zeitpfeil.

In einem Papier voraussichtlich diese Woche in der Zeitschrift Physische Überprüfung Eerscheinen, zwei Physiker stellen dem Fall, dass diese zwei lange getrennte Begriffe von Zeit – eine basierend auf Psychologie und anhand der Thermodynamik – muss immer ausrichten.

Die Grundsätze der Thermodynamik zeigen, dass große Sammlungen von Partikeln, wie die Billionen auf Billionen von Flüssigkeitsmoleküle in eine Kaffeetasse, bewegen sich immer in Richtung mehr unorganisiert Regelungen. Zum Beispiel brauchen heißes Wasser-Moleküle, die verklumpten zusammen in einem kalten Raum viel Organisation, so dass warme Getränke schließlich auf Umgebungstemperatur abkühlen. Physiker sagen solche ungeordneten Anordnungen hohen Entropie während bestellt haben Regelungen niedrigen Entropie.

Noch sind die Gleichungen, die Physiker zu verwenden, um die gleichzeitige Bewegungen einer großen Anzahl von Teilchen beschreiben gleichermaßen gültig, ob Zeit vorwärts oder rückwärts läuft. Daher erhalten fast alle komplexen Anordnung von Materie Entropie egal welche Richtung Zeit fließt.

Unser Universum begann offenbar mit dem Urknall, die war eine spezielle, niedrige Entropie Anordnung. Diese scheinbar unwahrscheinlich und noch unerklärliche Beobachtung ergibt sich die thermodynamischen Zeitpfeil, führt Kosmologen zu beobachten, dass sich das Universum aus einer niedrigeren Entropie Vergangenheit in eine höhere Entropie Zukunft weiterentwickelt.

Beide Pfeile der Zeit sind so intuitiv, dass ihr Unterschied schwer ist zu erkennen, sagte Todd Brun, ein Physiker an University of Southern California in Los Angeles. "Es hat die Menschheit Jahrtausende bevor Menschen selbst erkannte, gab es etwas zu erklären."

Im vergangenen Jahrhundert haben aber Physiker und Philosophen begonnen versucht die thermodynamischen und psychologische Pfeile zu vereinen. Viele Forscher beachten Sie, dass Objekte der realen Welt, die Erinnerungen--wie menschliche Gehirne und Computer-Festplatten--speichern oft erwärmen, wie sie funktionieren. Wärmeerzeugung erhöht Entropie und ist ein unumkehrbarer Prozess, so dass die Gesetze der Thermodynamik erfordern, dass derartige Objekte nur in eine Richtung ausgeführt werden können: von Vergangenheit auf Zukunft.

Aber Erinnerungen nicht erzeugen Wärme, Brun und Physiker Leonard Mlodinow des California Institute of Technology hinweisen. Z. B. Wellen auf einem Teich aufzeichnen einen Stein ins Wasser zu fallen, und noch konnten, im Prinzip, Reisen, in umgekehrter Reihenfolge. So eine Erinnerung die Zukunft statt der Vergangenheit erinnern konnte, fragte mich die Forscher?

Um diese Frage zu beantworten, durchgeführt Hawking und Brun, was ein Gedankenexperiment nennt. Sie sich ein System, in dem eine Kammer voller Prellen Partikel ist an einer fast leeren Kammer der gleichen Größe durch einen Tunnel die Partikel nacheinander durchlaufen können, vorgestellt – eine niedrige Entropie Konfiguration ähnlich wie die Konzentration der Substanz im frühen Universum. Obwohl Partikel aus entweder Kammer zur anderen durchqueren können, sorgt für Thermodynamik, dass schließlich beide Kammern ungefähr gleich viele Teilchen enthalten.

Wenn ein Rotor eingerichtet ist drehen jedes Mal, wenn ein Teilchen geht durch den Tunnel und jeder Umdrehung des Rotors wird aufgezeichnet, diese Platte würde die Anordnung der Teilchen zu jeder Zeit in der Vergangenheit zeigen. Aber nach den Gesetzen der Bewegung, zukünftigen Standorte der Partikel werden vollständig durch ihre aktuellen Flugbahnen bestimmt und wird zu jedem Zeitpunkt der Fluss der Zeit storniert wurden, würde die Teilchen auf ihre ursprüngliche niedrige Entropie-Konfiguration zurück. So die Autoren schreiben, dass der Rotor gesehen werden könnte, wie das Aufzeichnungssystem sowie die Zukunft — eine Bemerkung vor über 200 Jahren von dem französischen Mathematiker Pierre-Simon Laplace.

Aber es gibt einen Haken Hawking und Brun argumentieren. Wenn man zu zwicken ein künftigen Staates des Systems nur geringfügig durch die Veränderung der Position oder Geschwindigkeit von einem oder mehreren Partikeln, und führen Sie ihn dann nach hinten, würde das System nicht mehr Entropie verringern. Es würde zu erhöhen.

Die Partikel würde bewegt wie ein Film in umgekehrter Reihenfolge zu spielen beginnen, aber in etwas anderes als die einfachsten Systeme, gezwickt Partikel würde bald kollidieren mit anderen und eine Kettenreaktion verursachen. Ein Snapshot des Systems würde bald nicht mehr den entsprechenden Rahmen des Originalfilms ähneln.

Nur die genaue Anordnung der Teilchen, die durch eine niedrige Entropie Ausgangszustand rückwärts in der Zeit, einen Zustand mit solch ein hohes Maß an Ordnung zu erreichen entwickeln kann, schreiben die Autoren. Auch kleinere Anpassungen des Systems, egal wie ähnlich, werden rückwärts in Richtung höherer Entropie stattdessen entwickeln. Das heißt, für jede Anfangsbedingung werden des Rotors "nur eine Zukunft, die nicht die thermodynamischen Zeitpfeil gegen erinnern".

Diese Besonderheit die Definition eines Gedächtnisses widerspricht, argumentieren die Autoren. Sie schreiben, dass eine Erinnerung in der Lage sein sollte, alle Möglichkeiten, die ein System entwickeln können, nicht nur eine. Beispielsweise wird Ihr Gehirn in der Lage, praktisch jede Reihe von Veranstaltungen, die Sie in den nächsten drei Stunden widerfahren sein. Wenn es kann nur eine bestimmte Reihe von Veranstaltungen, wie ein Tachometer stecken in einem Tempo, wäre Ihr Gehirn kein funktionierendes Gedächtnis. Aufgrund dieser Anforderung kann nur der thermodynamischen Vergangenheit und nicht die Zukunft, sogar eine einfache, reversible Erinnerung aufzeichnen Hawking und Brun schreiben.

Mit ihrer Gedankenexperiment die Autoren eine neue und nützliche Definition einer Erinnerung geschaffen, sagte Craig Callender, ein Philosoph der Physik an der University of California, San Diego. "Es ist neu in dem Sinne, dass sie... wirklich Gebäude in einen Zustand, was für eine Erinnerung ist."

Lorenzo Maccone von der Universität von Pavia in Italien vereinbart, dass die Autoren Forschung wirft einen wichtigen Punkt, mit dem Argument, dass sogar eine reversible Erinnerung einen Pfeil der Zeit haben sollte. Aber er fand, dass die Autoren Gedankenexperiment nicht beschreiben, genau wie der Rotor die zukünftige Konfigurationen der Partikel aufnehmen würde. Ohne eine solche Beschreibung Maccone sagte, "nicht ganz überzeugt mich [ihrer] Erklärung."

Andreas Albrecht, ein Astrophysiker an der University of California, Davis, wünscht, dass die Autoren die Annahmen, die hinter den thermodynamischen Pfeil der Zeit in Frage gestellt hatte. In einem Papier vor kurzem gepostet, arxiv.org argumentiert Albrecht, dass es Möglichkeiten auch, um eine thermodynamische Pfeil ohne das Universum Materie in eine höchst ungewöhnliche Anordnung beginnen. Indem Sie diese Anordnung, wie ein bestimmtes, Hawking und die Brun Gelegenheit verpassen, andere möglichen starten Konfigurationen zu erkunden, sagte Albrecht. "[Studie] Bürsten so nah auf unglaublich interessant [kosmologischen] Fragen und dann einfach an ihnen vorbei geht."

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics. Gabriel Popkin (@gabrielpopkin) ist ein freier Wissenschaft und Umwelt Schriftsteller mit Sitz in Washington, DC-Bereich. Er hat für Wissenschaftsnachrichten, ScienceNOW, Johns Hopkins Magazine und andere Publikationen geschrieben.