從物理的角度來看,時間是什麼?

Mondo 科學 更新 2024-02-01

親愛的讀者,感謝您在百忙之中閱讀我的文章,這是對我努力的肯定,也是繼續創作的動力,我謹向你們致以最誠摯的敬意,希望能得到你們中的乙個"注意力"謝謝!

這個問題多年來一直困擾著人類。 從生物學的角度來看,地球上的所有生物都有乙個基於地球繞太陽的天文運動的內部時鐘。 我們的時間感主要基於白天和黑夜的階段,有些人甚至認為時間是我們的大腦創造的一種錯覺,以便能夠發揮作用(或阻止一切同時發生)。

但客觀的物理時間以不同的速度流動。 我們不適應天文大小和速度條件下的生活,因此我們很難理解時間不是乙個固定的概念。

在本文中,我們將從物理學的角度考慮時間是什麼。

在愛因斯坦的狹義相對論中,時間和空間不是獨立的實體,而是乙個不可分割的四維時空。 時空是我們宇宙的結構。

那是什麼意思? 這意味著即使在真空中也存在時空幾何。 我們的宇宙中從來就沒有“虛無”,因為時空總是“在那裡”。

廣義相對論將時空與能量和物質結合在一起,這也是同一概念的兩個方面。

物質在 4 維空間中改變了時空的幾何形狀,通常由圍繞太陽或黑洞等球體彎曲的網格來說明。 不僅僅是空間圍繞物質彎曲,還有時空,這意味著時間也以不同的方式圍繞物質流動(彎曲)——至少從觀察者的角度來看是這樣。 這就是時間相對論的意義。

愛因斯坦的宇宙是乙個塊狀宇宙,與其他任何時間相比,“現在”並沒有什麼特別之處。 這種哲學觀點也被稱為永恆主義。 相反,現在主義就是現在主義,只有“現在”存在,過去只是記憶的幻覺,未來是尚未到來的不確定的“現在”。

因此,時間作為廣義相對論中的乙個概念是真實的,它是統一的時空四維結構的一部分。

廣義相對論中的時間是相對的,因為 4D 時空中的每個點都有自己的“時鐘”,基於引力場的強度,而引力場又受到質量的影響。

沒有“時間之箭”,因為時間在任何描述時空結構的方程中都沒有方向。

微觀世界的行為與我們預期的不同。 這是因為我們在世界上認為理所當然的許多特性在亞原子水平上並不存在。 當“足夠”數量的粒子相互作用時,它們產生於統計概率。

關於粒子水平上的時間,我們能說些什麼?

薛丁格方程描述了量子系統如何從一種狀態過渡到另一種狀態。 在這些方程中,時間只是乙個變數,它告訴我們從一種狀態到另一種狀態的時間差。 它可以連線到正極或負極。 這些方程在前向和後向時間中同樣適用。

事實證明,時間只是量子水平上自由粒子的乙個變數。 根據量子力學,自由粒子沒有方向或時間的箭頭。 在這個層面上談論時間的形上學是很困難的,因為過去、現在和未來等概念似乎也在出現。

當足夠多的粒子相互作用時,我們從微觀系統移動到巨集觀系統。 在粒子級別上不存在的屬性是粒子之間相互作用的結果。

例如,溫度等屬性是由單個粒子的速度決定的動能的平均值。 熱量從乙個系統流向另乙個系統,這是乙個單向過程,因為熱量不能從冷到熱。 該屬性在時間上是不可逆的。

熵是當存在導致系統相同狀態的多種組合時系統中的無序程度。 例如,炒雞蛋,其中分子可以處於不同的位置,但仍然給出相同的結果。 當只有少數特定組合可以確定狀態時,熵是低的,例如整個雞蛋。

這是因為統計概率表明,任何靜止狀態都進入了一種可以由更多組合定義的狀態,這意味著更高的無序性或更高的熵。

在我們的經典世界觀中,時間的單向箭頭是由於熱和熵等湧現性質造成的,這是乙個由統計力學引起的單向過程。

所以,綜上所述,時間之箭從過去指向未來,是由於粒子本身形成某種結構的概率極小。

這適用於任何封閉系統。 生命是區域性熵減少的乙個例子,例如,我們身體的細胞從蛋白質和其他營養物質中獲取無序的能量作為輸入,並通過將其組織成不同型別的特定資訊來減少熵,以便我們能夠像生物一樣發揮作用。 但是我們短暫的壽命最終將導致整體熵變更高。

相對論雖然是愛因斯坦的突破,但他非常重視熱力學:

熱力學是唯一具有普遍性的物理理論,在其基本概念的適用範圍內,它永遠不能被取消”。

巨集觀系統的性質不是幻覺,而是我們古典世界的真實性質。 這是自然協同作用的結果。

時間的一維箭頭可能不是宇宙基本元素的屬性,但它隨著相互作用和統計概率的複雜性而出現。

當我們感覺到熱量從熱的巨集觀系統移動到冷的巨集觀系統時,我們會經歷時間。 同樣,如果我們的大腦對光的波長沒有解釋,我們就會感知到不存在的顏色。

時間是物理世界中乙個客觀而基本的概念,還是我們大腦解釋的結果? 時空的時間分量有方向嗎? 時間是量化的嗎? 世界上的問題總是多於答案。

三分鐘講科普

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