European Physical Journal B: Предложен новый способ определения оси времени

Один из раздражающих побочных эффектов поглощения захватывающего романа — это то, что чашка чая на столе становится холодной! К сожалению, чай не нагреется сам по себе, поглощая окружающее его тепло, так же как не соберутся вместе кусочки разбитого яйца или не отделится само по себе молоко, размешанное в кофе.

Такие явления необратимы и определяют фиксированное направление времени — от прошлого к будущему. Это видимое движение времени называется «осью времени».

В своем недавнем исследовании профессор Махендра Верма из Индийского технологического института Канпура предлагает способ, отличный от всех предыдущих, для определения направления движения времени. Для определения оси времени он использует концепцию энергетического каскада.

Можно подумать, что «ось времени» хорошо отражена в законах физики — тех, что связаны с фундаментальными силами гравитации, электромагнетизма и ядерными силами. Однако математические уравнения этих законов остаются совершенно справедливыми, если заменить t на -t, то есть повернуть время вспять. Таким образом, с помощью этих законов мы не можем объяснить окружающий нас мир, столь полный необратимых вещей и столь явно асимметричный во времени. Как же тогда уловить эту асимметрию времени?

Ось времени — важный вопрос с точки зрения биологии, сознания и космологии, — говорит профессор Верма.

Эта концепция представляет интерес для биологов при изучении эволюции и старения, для космологов — для понимания того, как возникла и развивается Вселенная, для философов — для ответа на вопросы типа «существует ли время?».

Ученые считают, что ось времени определяется вторым законом термодинамики. Они описывают сущность, называемую энтропией, которая является мерой степени беспорядка в системе и может быть выражена математически. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия изолированной системы никогда не может уменьшаться, она может либо оставаться неизменной, либо увеличиваться. Таким образом, направление увеличения энтропии — это прямое направление времени, а направление уменьшения энтропии — это обратное направление времени.

Профессор Верма предлагает альтернативное определение прямого направления времени в работе, опубликованной в журнале European Physical Journal B. Он отмечает, что в диссипативных системах энергия всегда течет от больших масштабов или больших кусков к малым масштабам или меньшим кускам, и это определяет ось времени.

Когда мы наливаем молоко в чашку с кофе и размешиваем его, мы видим, как большой сгусток молока закручивается, а затем превращается в вихри, все меньшие и меньшие по размеру. Белые капельки постепенно превращаются в коричневые и, наконец, полностью смешиваются с кофе. Энергия, которую мы выделяем при перемешивании, передается большому сгустку молока, который разбивается на более мелкие сгустки. Затем энергия передается этим более мелким шарикам, которые разбиваются на еще более мелкие, и «каскад энергии» продолжается до тех пор, пока молоко полностью не смешается с кофе.

Диссипативные системы — это системы, в которых энергия теряется в виде тепла, через трение в механических системах, через сопротивление в электрических системах и через вязкость в жидкостях. Подобно тому, как молоко смешивается с кофе, в диссипативной системе энергия, поступающая на больших масштабах, последовательно передается на меньшие масштабы (энергетический каскад) и, наконец, рассеивается на наименьших масштабах.

Когда мы разбиваем яйцо ложкой, обратите внимание на то, что первоначальный удар приводит к разрушению яйца, а первоначальная энергия, вложенная ложкой, каскадирует вниз по шкале. Эта передача энергии асимметрична во времени; энергия не может перетекать от маленьких кусочков яйца к ложке, которая его разбила. Эта асимметрия объясняет, почему мы не можем собрать разбитое яйцо, — утверждает профессор Верма.

Таким образом, энергетический каскад определяет ось времени.

В настоящей работе профессор Верма рассматривает конкретный случай обращения времени вспять для турбулентных потоков. Если записать уравнения переноса энергии в турбулентных жидкостях для обратного времени (заменить t на -t), то получатся уравнения, указывающие на поток энергии от малых масштабов к большим. В реальности (в диссипативных системах) такой перенос энергии не наблюдается. Таким образом, поток энергии от больших масштабов к малым определяет прямое время, а поток энергии от малых масштабов к большим определяет обратное время.

Профессор Верма предполагает, что этот же принцип переноса энергии можно применить и к ряду других физических систем, таких как землетрясения, тепловая конвекция и магнитогидродинамическая турбулентность. Однако исследователям необходимо будет проработать детали передачи энергии для этих систем.

Мы надеемся, что эта многомасштабная схема может оказаться полезной для решения некоторых давних проблем, связанных с осью времени в физических и биологических системах, а также в космологии, — заключает профессор.

24.11.2023