Schauen Sie in die Zukunft, um die Vergangenheit zu verstehen
Eine Alternative zu Newtons Weltanschauung verspricht, die Kuriositäten der Quantenphysik zu erklären
Nach den besten physikalischen Theorien zu urteilen, missverstehen Sie die Zeit. In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gibt es keinen Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft, ganz zu schweigen vom Konzept des "Jetzt". Es gibt auch keine Richtung, in die die Zeit „fließt“. Stattdessen existieren Raum und Zeit einfach in einer vierdimensionalen Struktur. Darüber hinaus arbeiten alle Grundgesetze der Physik auf die gleiche Weise vorwärts und rückwärts.Diese Tatsachen sind nicht leicht zu akzeptieren, weil sie unserer subjektiven Zeitwahrnehmung widersprechen. Aber lassen Sie sich nicht entmutigen: Sie sind für Physiker nicht leicht zu ertragen, und diese Spannung widerspricht der Physik nicht nur mit gesundem Menschenverstand, sondern auch mit sich selbst. Und obwohl Physiker viel über die Symmetrie der Zeit sprechen, erlauben sie sich, nach den Ursachen für Phänomene zu suchen, die in der Welt nur in der Vergangenheit und nicht in der Zukunft auftreten.
So wie die Befestigung der Enden einer Gitarrensaite ihre Schwingungen bestimmt, können die ferne Vergangenheit und die ferne Zukunft des Universums die heutigen Ereignisse beeinflussen.Die meisten von uns formulieren Erklärungen, denken an Isaac Newton, der vor mehr als 300 Jahren gegründet wurde. Diese "Newtonsche Mechanik" nimmt die Vergangenheit als Grundlage und löst damit die Zukunft und erklärt Schritt für Schritt unser Universum. Einige Forscher betrachten das Universum sogar als Ausgabe eines Computerprogramms. Ein solches Bild ist eine natürliche Folge dieses Schemas. Selbst nachdem sich unser Zeitkonzept im letzten Jahrhundert geändert hat, ist die Newtonsche Mechanik irgendwie in den beliebtesten physikalischen Glaubenssystemen geblieben.Bei Anwendung des alten Newtonschen Denksystems auf neue Quanteneffekte befanden wir uns jedoch in Situationen, die nicht erklärt werden können. Wenn diese Phänomene unerklärlich sind, stellen wir sie vielleicht einfach falsch dar. Bessere Erklärungen werden zur Verfügung gestellt, wenn wir bereit sind, die Zukunft zu berücksichtigen. Aber die Newtonsche Mechanik ist zu solchen zeitlosen Erklärungen zunächst nicht in der Lage. Computerprogramme arbeiten in eine Richtung, und Versuche, zwei Programme zu kombinieren, die in entgegengesetzte Richtungen arbeiten, führen zu einem Sumpf von Paradoxien, die für schlecht konzipierte Zeitreisefilme charakteristisch sind. Um die Zukunft mit der gleichen Ernsthaftigkeit wie die Vergangenheit zu betrachten, brauchen wir eindeutig eine Alternative zur Newtonschen Mechanik.Und wir haben es. Die meisten Physiker sind sich der Existenz eines anderen Bezugsrahmens bewusst, einer Alternative, bei der Raum und Zeit unparteiisch analysiert werden. Dies wird so genannt Die Lagrange-Mechanik ist ebenfalls eine alte Wurzel und in allen Bereichen der Grundlagenphysik zu einem notwendigen Werkzeug geworden. Aber auch Physiker, die diesen Ansatz anwenden, widersetzen sich dem letzten offensichtlichen Schritt: die Lagrange-Mechanik nicht als mathematischen Trick, sondern als Erklärungsmethode für die Welt darzustellen. Vielleicht nehmen wir unsere eigenen Theorien nicht ernst genug.Die Lagrange-Mechanik ermöglicht es uns nicht nur, Erklärungen für die Zukunft abzugeben. Sie fordert sie. In Bezug auf Vergangenheit und Zukunft vermeidet diese Mechanik Paradoxe und ermöglicht neue Erklärungsmethoden. Und es kann genau der Standpunkt sein, der für den nächsten Durchbruch erforderlich ist.Der erste Schritt zum Verständnis der Lagrange-Mechanik besteht darin, sich vollständig vom Zeitfluss von Newton zu lösen. Dies ist einfacher, wenn die Bereiche der Raumzeit ganzheitlich betrachtet werden: die gesamte Länge auf einmal und nicht als aufeinanderfolgende Bilder des Films. Wir können Raum-Zeit in Form fester vierdimensionaler Strukturen nicht nur mit räumlichen, sondern auch mit Zeitrahmen darstellen - den Anfangs- und Endgrenzen der Region.Die gesamte klassische Physik, von Elektrizität bis zu Schwarzen Löchern, kann durch das einfache Lagrange-Prinzip der Minimierung der Wirkung ausgedrückt werden. Um es in einem Raum-Zeit-Segment zu verwenden, beschreiben Sie zunächst die Einschränkungen physikalischer Parameter über die gesamte Länge. Anschließend berechnen Sie für jeden Satz möglicher Ereignisse in diesem Framework die Größe der „Aktion“. Die Menge der Ereignisse mit der geringsten Menge an Aktion ist diejenige, die unter Berücksichtigung der anfänglichen Einschränkungen und einiger technischer Punkte eintreten wird.Beispielsweise entspricht für einen Lichtstrahl, der von Punkt A nach Punkt B wandert, die Aktion der Dauer der Reisezeit. Der Weg wird angesichts der Hindernisse der schnellste sein. Wenn Sie so argumentieren, biegt sich der Lichtstrahl auf die Oberfläche des Glases, um die Laufzeit zu minimieren. Die Lagrange-Mechanik in der Quantenphysik funktioniert etwas anders und führt eher zum Auftreten von Wahrscheinlichkeiten als zu exakten Antworten, aber das Wesentliche ist dasselbe: Raum-Zeit-Beschränkungen werden gleichzeitig auferlegt.Nach der Newtonschen Logik ist dies seltsam. Der Lichtstrahl am Punkt A sieht irgendwie die Zukunft voraus (über Punkt B und zukünftige Hindernisse), verfügt über umfangreiche Rechenfähigkeiten (um mehrere Pfade zu zählen) und Wissen (um den kleinsten auszuwählen). Aber Fremdheit ist nur ein Beweis dafür, dass sich Newtonsches und Lagrange-Denken nicht vermischen - und dass wir dem Licht wahrscheinlich keine menschlichen Merkmale zuschreiben müssen.Anstatt Ereignisse nur auf der Grundlage der Vergangenheit zu erklären, beginnt die Lagrange-Mechanik mit allgemeinen Randbedingungen - einschließlich der letzten. Wenn Sie keine endgültige Einschränkung auferlegen - für den Lichtpunkt ist dieser Punkt B -, gibt dieser Ansatz nicht die richtige Antwort. Bei richtiger Anwendung beweist der Erfolg der Mathematik jedoch die logische Priorität von Grenzbeschränkungen - die Grenze einer Region der Raumzeit erklärt ihren Inhalt.Langranges Ansatz bietet die eleganteste und flexibelste Beschreibung der Physik, und Physiker bevorzugen sie oft. Trotz der Anwendbarkeit dieser Prinzipien nehmen selbst Physiker, die sie anwenden, sie nicht wörtlich. Es ist schwer zu akzeptieren, dass Ereignisse auf der Grundlage der zukünftigen Ereignisse erklärt werden können. Schließlich gibt es offensichtliche Unterschiede zwischen Vergangenheit und Zukunft. Und wenn der Pfeil der Zeit für uns so offensichtlich ist, wie können sich zukünftige Einschränkungen auf das auswirken, was mit der Vergangenheit vergleichbar ist?Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die Lagrange-Mechanik mit unserer täglichen Erfahrung in Einklang zu bringen. Wir müssen nur breit genug denken, ohne die Details aus den Augen zu verlieren.
Die Physik ist zeitlich reversibel. Wenn ein Scheinwerfer eine Statue beleuchtet, kann man auch sagen, dass eine Statue einen Scheinwerfer beleuchtet. Normalerweise tun wir dies nicht, weil dies unsere Erwartungen hinsichtlich der Bedeutung des Wortes "Erklärung" verletzt.Angenommen, Sie haben eine Statue mit einem Blitz fotografiert. Jeder Lichtstrahl folgt dem Prinzip der geringsten Wirkung und erzeugt einen perfekt symmetrischen zeitlichen Weg. Aber zusammen zeigen sie eine offensichtliche Asymmetrie: Die anfänglichen Einschränkungen von A werden blitzschnell gesammelt und die endgültigen Einschränkungen werden über die Statue verteilt. Darüber hinaus ist es offensichtlich, dass die Ausbreitung von Licht von A eine viel bessere Erklärung für die Beleuchtung B darstellt als umgekehrt. Selbst wenn wir die Wege der Lichtstrahlen in die entgegengesetzte Richtung betrachten würden, könnte niemand behaupten, dass das Licht aufgrund der komplexen Lichtmuster auf der Statue im Blitz konzentriert ist.Daraus lässt sich schließen, dass zufriedenstellende Erklärungen mit einfachen Methoden auf komplexe Ereignisse verzichten. Sie nehmen eine Tatsache mit mehreren relevanten Parametern, um die Vielzahl der Phänomene zu erklären. Dies sollte unabhängig von der verwendeten Mechanik offensichtlich sein.Diese Asymmetrie von A und B widerlegt jedoch nicht den Lagrange-Standpunkt, der nur postuliert, dass A und B zusammen die Details dessen, was zwischen ihnen passiert ist, am besten erklären. Auch in der Lagrange-Mechanik hängen A und B voneinander ab. Um ihre Verbindung zu verfolgen, schauen wir uns das genauer an. Nach dem Prinzip der Einschränkungen der Lagrange-Mechanik sind Erklärungen nicht in einer Kette angeordnet, sondern ineinander eingebettet. Mit anderen Worten, wir sagen nicht, dass Ereignis A zu Ereignis B führte, was zu Ereignis B führte. Wir arbeiten mit einer kleinen Region der Raumzeit als Ganzes; dann betrachten wir es als Teil einer größeren Region (in Raum und Zeit). Unter Anwendung der gleichen Lagrange-Logik erhalten wir, dass die größeren Grenzen alles in ihnen erklären sollten, einschließlich der ursprünglichen Grenzen.Wenn wir dieses Verfahren für die Statue ausführen, finden wir die gleiche Asymmetrie der Glühbirne und der Statue in vergrößertem Maßstab. Das heißt, wir sind mit der Beschreibung des Kamerablitzes in der Vergangenheit zufrieden, erklären jedoch nicht die Beleuchtung der Statue und blicken in die Zukunft. Dann schließen wir dieses System in ein noch größeres ein und so weiter, bis wir die kosmologischen Grenzen erreichen - die äußeren Grenzen des Universums. Soweit wir wissen, wird auf solchen Skalen dieselbe Asymmetrie beobachtet - eine ungewöhnlich gleichmäßige Verteilung der Materie während des Urknalls und eine zufälligere Verteilung in der Zukunft.Wenn wir gewöhnliche Raum-Zeit-Regionen aus Lagrange-Sicht betrachten, beweist die Tatsache, dass die Anfangsgrenzen (Lichtstrahlen, die von der Blitzlampe ausgehen) einfacher sind als die Endgrenzen (beleuchtete Statuen), dass unsere nächste kosmologische Grenze in der Vergangenheit liegt. Diese Sequenz impliziert, dass es in einer vergleichbaren Zukunft keine entsprechenden kosmologischen Grenzen gibt. Und wenn Sie den Urknall als beste Erklärung für die offensichtlichen Eigenschaften des Universums nehmen, unterscheidet sich die offensichtliche Richtung des Zeitflusses nicht von dem räumlichen Temperaturgradienten, den Sie fühlen, wenn Sie in der Nähe eines kalten Fensters stehen. In keinem dieser Fälle ist Raum oder Zeit asymmetrisch; Es ist nur eine Frage Ihres Standorts relativ zur nächsten Grenze.Auf den klassischen Skalen, denen wir normalerweise begegnen, werden wir von der zukünftigen Grenze im Vergleich zur Grenze in der Vergangenheit keine neuen Informationen erhalten. Wenn dies auf allen Skalen der Fall wäre, hätte die Lagrange-Mechanik Probleme, da die zukünftige Grenze überhaupt nichts beeinflussen würde. Dies wird jedoch nicht der Fall sein, wenn wir auf das Niveau der Quantenunsicherheit absteigen: Die Details der mikroskopischen Zukunft können nicht aus der Vergangenheit abgeleitet werden. Auf einer Quantenskala werden alle Möglichkeiten der Lagrange-Mechanik offensichtlich.
Verwickelte Geschichte: In einem Standardexperiment zur Quantenverschränkung fliegen Teilchenpaare aus einer Quelle und werden von Detektoren gemessen. Zwei Computer, Alice und Bob, generieren Zufallszahlen zur Steuerung der Detektoren. Detektorereignisse steuern, was an der Quelle geschieht, obwohl sie sich in der Zukunft befinden.Quantenverschränkung ist ein Konzept, das die Newtonsche Mechanik ablehnt. Details sind für uns nicht wichtig, daher werden wir das allgemeine Wesen eines typischen Experiments zur Verschränkung betrachten. Der Apparat in der Mitte erzeugt zwei Partikel. Der linke wird an einen von Alices Computer gesteuerten Detektor gesendet, und der rechte wird an einen von Bobs Computer gesteuerten Ferndetektor gesendet. Detektoren messen ihre Partikel auf eine von mehreren Arten, die durch Zufallszahlen bestimmt werden. Wie der irische Physiker John Bell in dem berühmten Experiment in den 60er Jahren demonstrierte, korrelieren die Messergebnisse auf eine Weise, die der üblichen Erklärung widerspricht.Insbesondere wird die Gesamtvergangenheit der Partikel nicht mehr ausreichend, um die gemessenen Korrelationen zu erklären, zumindest nicht für das gesamte Spektrum der Messungen, die Alice und Bob zufällig auswählen können. Natürlich möchten viele Wissenschaftler dies aus physikalischer Sicht erklären, und sie versuchen nicht gerne, dies durch reine Mathematik zu tun. Wenn sie in Missverständnissen zurückbleiben, verursachen sie mysteriöse Wesenheiten, die nicht wirklich in Raum oder Zeit existieren (und selbst einer Erklärung bedürfen) oder sogar schneller als Licht reisen (was alles verletzt, was wir über Einsteins Relativitätstheorie wissen).Wenn wir diese verzweifelten Versuche aufgeben, sind sich alle einig, dass eine natürliche Erklärung nur gefunden werden kann, wenn die Partikel die zufälligen Einstellungen von Alice und Bob im Voraus vorhersagen können. Die meisten Vorschläge zur Übertragung dieser Informationen an Partikel sehen jedoch noch verzweifelter aus, sogar bis zum Betrug: Angeblich schnüffeln die Partikel irgendwie alle Eingabedaten von Zufallszahlengeneratoren heraus und verwenden diese Informationen, um zukünftige Detektoreinstellungen vorherzusagen.Fast niemand hält dies für eine würdige Erklärung von Verschränkungsexperimenten, da Sie eine Erklärung der Lokalisierung von Licht auf einer Blitzlampe, die von den komplexen Formen der Statue reflektiert wird, nicht akzeptieren würden. Solche Versuche verstoßen gegen unsere vernünftigen Erklärungsstandards: Der vorgeschlagene Funktionsmechanismus ist viel komplizierter als die einfachen Ergebnisse, die er zu erklären versucht.Im Beispiel der Statue wäre die offensichtliche Lösung, nach einfacheren Grenzen - Blitzen - zu suchen, um die beste Erklärung zu erhalten. Für die Quantenverschränkung wird aus Sicht der Lagrange-Mechanik eine vernünftige Erklärung fast genauso offensichtlich sein. Komplizierte Vorarbeiten mit den Detektoreinstellungen sind davon nicht betroffen, sondern bestehen aus zukünftigen Detektoreinstellungen.In der nebligen Region der Raumzeit existieren in Zukunft mysteriöse verschränkte Teilchen, und die Grenzen dieser Region umfassen ihre Herstellung und ihre Detektion durch den Detektor. Die von Alice und Bob gewählten Einstellungen werden physisch in den Detektoren an der letzten Grenze implementiert - genau dort, wo die Lagrange-Mechanik uns auffordert, nach Erklärungen zu suchen. Wir müssen nur zulassen, dass sich die Partikel in Zukunft auf diese Grenze beschränken, und sofort erscheint eine einfache Erklärung der Verschränkungsexperimente. In diesem Fall kann die Zukunft zusammen mit der Vergangenheit die Beobachtungen am besten erklären.Quantenverschränkung ist möglicherweise nicht das einzige Rätsel, das gelöst werden kann, wenn man die Zukunft ernsthaft als Erklärung betrachtet. In anderen Quantenphänomenen kann auch eine einfachere Erklärung gefunden werden, die in einfachem Raum und in einfacher Zeit ohne Fernwirkung funktioniert. Es ist möglich, dass sich die Wahrscheinlichkeiten in der Quantentheorie als dieselben herausstellen wie die Wahrscheinlichkeiten in jedem anderen wissenschaftlichen Bereich: sie existieren aufgrund von uns unbekannten Parametern (da einige von ihnen in der Zukunft sein werden).Eine solche Studie wird wichtige Fragen aufwerfen. Wenn die Zukunft die Vergangenheit einschränken kann, warum sind die Konsequenzen auf ein Quantenniveau beschränkt? Warum können wir keine Quantenphänomene verwenden, um Nachrichten in die Vergangenheit zu senden? In welchem Ausmaß dominieren kosmische Beschränkungen und wie können die Lagrange-Ansätze verallgemeinert werden, damit alles funktioniert?Antworten darauf zu finden kann nicht nur der Physik helfen, sondern auch besser verstehen, wie wir in unser vierdimensionales Universum passen. Beispielsweise sind nach der Lagrange-Mechanik die mikroskopischen Details einer Region nicht vollständig durch vergangene Grenzen begrenzt. Auf atomarer Ebene des Gehirns gibt es in Zukunft wichtige, aber unbekannte Einschränkungen. Vielleicht hilft diese Argumentation sogar dabei, den freien Willen zu verstehen und zu rechtfertigen, dass die Zukunft nicht vollständig von der Vergangenheit bestimmt wird. Dies erfordert, dass wir die Idee überdenken, dass es einen einfachen und offensichtlichen Unterschied zwischen einer festen Vergangenheit und einer offenen Zukunft gibt.Fast jedes Mal, wenn eine Wissenschaft eine tiefere, einfachere und zufriedenstellendere Erklärung fand, führte dies zu einer Kaskade anderer wissenschaftlicher Entdeckungen. Wenn es also eine tiefere Ebene von Quantenphänomenen gibt, die wir noch nicht beherrschen, wird ihre Entwicklung zu kritischen Durchbrüchen bei einer großen Anzahl von Technologien führen, die Quanteneffekte verwenden. Fehlerhafte Instinkte haben den wissenschaftlichen Fortschritt in der Vergangenheit behindert, und unsere Instinkte in Bezug auf die Zeit sind vielleicht eine der stärksten. Aber es gibt einen klaren Weg, die tiefsten Geheimnisse der Natur zu erklären, wenn wir uns nur zwingen können, in die Zukunft zu schauen.Source: https://habr.com/ru/post/de396651/
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