На чем основано различие между пространством и временем?

@Kathryn Boast Я предполагаю, что вы ищете ответ, основанный на имеющихся у нас экспериментальных данных о природе, а не на новых диких предположениях, которые не являются твердо установленными и не подтвержденными экспериментом. Очень интересно наблюдать, как такой простой вопрос приводит многих из нас в замешательство… Можно дать несколько ответов, в зависимости от того, какую систему отсчета вы используете: квантовую механику, специальную теорию относительности, общую теорию относительности, суперструну. Теории, термодинамика, философия и т. д. Однако есть один аспект пространства и времени, который является связующим звеном всех этих взглядов. Это тот факт, что пространство и время связаны друг с другом скоростью света с и образуют единую геометрическую структуру, которую мы называем пространством-временем. Если бы не инвариантность и постоянство скорости света, эта пространственно-временная структура была бы невозможна. Наше игнорирование этой увлекательной роли света в природе до того, как нас научил Эйнштейн, привело к представлению о том, что пространство и время полностью отличаются друг от друга. Можно сказать, что единственная разница между ними заключается в их функциональности. Пространство предлагает «пространство» для существования и движения материи, а время дает возможность отслеживать, что делает материя и в каком порядке. Эта точка зрения была выражена в различных формах некоторыми другими респондентами. а время дает возможность следить за тем, что делает материя и в каком порядке. Эта точка зрения была выражена в различных формах некоторыми другими респондентами. а время дает возможность следить за тем, что делает материя и в каком порядке. Эта точка зрения была выражена в различных формах некоторыми другими респондентами.

Что касается последней части вопроса, да, в физике есть много уравнений, которые «предсказывают» то, что происходит во всем пространстве, глобально, в определенный момент времени. Возьмем, к примеру, электромагнитный скалярный потенциал V(x, y, z, t), выберем конкретное значение времени и получим то, что происходит с V во всем пространстве (x, y, z), решив дифференциальное уравнение Пуассона . Другой известный пример — уравнение Шредингера, зависящее от времени. Привязав время к конкретному моменту, решение уравнения даст вам то, что происходит в другом месте в пространстве, конечно, в вероятностном смысле.

Мы по-разному воспринимаем пространство и время. Что, с точки зрения физики, в корне обосновывает это различие?

Кэтрин, в каком-то смысле ваш вопрос отвечает сам на себя. Возможно, это не самое приятное чувство, но важное.

Это различие впервые было сделано Эйнштейном, когда он предложил специальную теорию относительности, прежде чем его бывший профессор Минковский переформулировал теорию Эйнштейна в более графических терминах: время — это тиканье часов, то есть количественное определение измеримых циклических процессов. Эйнштейн поначалу не пытался облечь эту идею в весьма наглядные термины, но, конечно, сделал это позже, после некоторого первоначального легкого ворчания по поводу того, как Минковский сделал его собственную теорию непостижимой для него.

Конечно, тривиально просто взять понятие регулярных тактов часов и превратить его в понятие расстояния, но это не тривиальное отображение с точки зрения того, что должно быть доступно для создания отображения. Это так только кажется, потому что, как организмы, способные существовать и выживать в нашей конкретной вселенной, мы заранее оснащены необходимым оборудованием и ситуацией, которая делает эту идею значимой.

Звучит ли все это слишком сложно для чего-то столь же простого, как подсчет тиков часов и последующее представление их на длинной линии? Не совсем.

Вы не можете получить доступ к прошлому, как и на расстоянии, так где же находится знание прошлого? В чем-то, называемом «памятью» или «запоминающим устройством», которое должно быть независимым от той части часов, которая тикает. Итак, у вас есть память.

Вы не можете интерпретировать память без некоторого набора операций, которые распознают и могут воздействовать на такое представление прошлых циклов, рассматривая их в какой-то совершенно иной конструкции, как если бы они снова существовали. Такие операции представляют собой форму интеллекта, включая довольно замечательную способность «симулировать» или воспроизводить физику прошлого события, несмотря на то, что от этого события не осталось ничего, кроме очень смутной информации (сама по себе очень странная концепция) о ключевых особенностях событий. то прошедшее событие. Эту коллективную способность симулировать и оперировать туманными, эфемерными, необычайно неполными образами прошлого, но каким-то образом добиваться осмысленного воспроизведения их последствий, мы называем «интеллект».

Но как это вообще возможно? Кажется довольно абсурдным, что такие тонкие представления могут на самом деле сделать осмысленные предсказания гораздо более плотного и чрезвычайно сложного набора материи и энергии.

Здесь нас обоих выручает сама Вселенная, основанная не на тотальном хаосе, а на стройных, простых и единых правилах действия. Что касается времени, то Вселенная чрезвычайно помогает нам, будучи богатой чем-то, что называется циклами , или почти точными повторениями паттернов. Свет — это цикл. Электроны, вращающиеся вокруг атомов, представляют собой циклы. Орбиты планет и тел являются циклами. Вибрации материи, в том числе мягкое качание маятника в напольных часах, — это циклы.

Являются ли циклы простыми? Нет, решительно нет! Циклы — это прогулки по лезвию бритвы, с хаосом с одной стороны и замкнутой, застывшей простотой с другой. Планеты имеют циклические орбиты, но добавляют слишком много тел или слишком много времени, и их простые циклы самоуничтожаются в какой-то форме хаоса. Но если вы пойдете другим путем и замкнете циклы до такой предельной одинаковости, что не будет никаких измеримых изменений от одного тика к другому, вы получите не часы, а совершенный осциллятор, который имеет не больше чувства времени, чем мир. хаоса.

Только этот тщательный баланс узнаваемых, но немного отличающихся циклов, то есть повторяющихся паттернов, на которые разум может взглянуть и сказать: «Это все тот же свет или это все тот же маятник, несмотря на небольшие изменения в положении». или энергии, или импульса» — это делает возможным измеримое время, и через это позволяет разуму — памяти плюс осмысленным, подобным симуляции операциям, которые каким-то образом имитируют и предсказывают внешний мир — воспринимать «время». В специальной теории относительности эта циклическая концепция времени обычно представлена ​​концепцией «собственного времени».$\tau$, то есть время, измеренное настоящими часами.

Чтобы получить время, подобное длине, требуется только еще один сравнительно простой шаг, но этот последний шаг также сопряжен с наибольшим риском обмануть нас. Мы берем нашу модель и подсчитываем почти идентичные циклы и говорим: «Это как линия, это как длина. Я представлю последовательность циклов как длину, используя это расстояние, которое XI позаимствовал у мира, я могу воспринимать прямо сейчас. Я назову эту ось «время» или$t$, и я постулирую, что он существует в дополнение к осям длины, которые я могу воспринимать непосредственно.

Это очень хороший постулат, и специальная теория относительности, в частности, немедленно дает нам его нетривиальное обоснование, показывая нам эксперименты, в которых проще всего смоделировать результаты скоростей, близких к скорости света, как случаи, когда ось «времени»$t$движущегося объекта изогнута и повернута относительно одной из осей XYZ наблюдателя. Но даже там будьте осторожны! Фактические события, которые измеряются, опять-таки выражены в терминах циклов — циклов или$\tau$время наблюдаемого объекта кажется (наблюдателю) замедленным. Это замедление можно снова отобразить в понятие времени, похожее на длину, но отображение все еще существует. Даже там время как измерение, подобное длине, является косвенным, и его следует признать частью процесса, если вы хотите получить более полную картину.

Суть всего этого в том, что если вы хотите ясно мыслить о сложных или продвинутых понятиях времени, не забывайте бедных старых циклических, дедовских$\tau$время как отправная точка для всех понятий времени. Это обманчиво сложная концепция, которая говорит, например, что классическая физика так же «зависит от наблюдателя», как и квантовая физика. Почему? Потому что каждый раз, когда вы используете$t$в уравнении классической физики вы подразумеваете циклы и смутные, эфемерные воспоминания о циклах и замечательные разумные операции, которые используют эти туманные воспоминания, чтобы понять и предсказать, что произойдет дальше, а затем рассуждать о них.

Когда ты говоришь$t$, вы подразумеваете$\tau$, и когда вы подразумеваете$\tau$... вы подразумеваете нас.

Вы задали более одного вопроса. В вашем последнем абзаце я считаю, что ваш главный вопрос заключается в следующем:

... если мы поменяем здесь роли времени и пространства и вместо этого дадим информацию об одной точке пространства за все время, кажется, что мы не можем предсказать пространственно. Существуют ли уравнения в физике, которые можно считать предсказывающими в пространстве (на заданное время)?

Нет.

Пространственно-подобный срез (подпространство) пространства-времени хранит информацию, тогда как временной срез (мировая линия) — нет. Более того, сам способ определения «частицы» — это попытка убрать как можно больше переменной информации, чтобы подчеркнуть непрерывность сохраняющихся величин, таких как масса, заряд и спин.

В классической физике такой акцент на редукционизме по оси времени оставляет вам не более чем историю того, как частица «толкалась» в стиле бильярдного шара, когда она двигалась поперек своего пути во времени. Эти отклонения дают небольшое количество информации о Вселенной в целом, но общая закодированная информация довольно тривиальна по сравнению с информацией, содержащейся в любом пространственно-подобном срезе, и ее никогда не бывает достаточно для реконструкции Вселенной в целом. Количество информации, содержащейся на пути одной частицы, также сильно варьируется. Он приближается к нулю в случае частицы, которая просто находится в очень темном уголке межгалактического пространства и почти ни с чем не взаимодействует, так что в этом случае вы остаетесь в неведении практически обо всем остальном, что происходит в космосе.

Между прочим, вы можете задаться вопросом, почему при определении временных срезов я сосредоточился на мировых линиях отдельных частиц, а не на одной фиксированной точке в пространстве от начала до конца Вселенной. Вы могли бы использовать последний подход, и он дает тот же результат, поскольку, например, одно темное пятно в глубоком межгалактическом пространстве имеет еще меньше информации об остальной Вселенной, чем сидящая там очень скучающая частица. Однако я не использую это определение, потому что «где» эта конкретная точка в пространстве на самом деле быстро переплетается с вопросом «где она относительно некоторого набора мировых линий частиц». Поскольку это единственный способ сделать такое утверждение осмысленным, проще и честнее просто начать с мировых линий частиц.

Вы также отметили во втором абзаце:

... Размерность (тот факт, что есть три пространственных измерения, но только одно временное), конечно, не может быть достаточным ...

Да. На самом деле, если вы посмотрите на то, что я только что написал, это применимо как к соотношению осей пространства и времени 1 к 1, так и к соотношению 3 к 1. Время — это просто ось сохранения количества (например, массы), тогда как пространство — это ось, на которой выражаются отношения (информация), фиксирующие переменные относительные конфигурации этих сохраняющихся величин.

Итак, какое отношение все это имеет к моему более раннему ответу о том, что время работает сначала как циклическое, а не как длина? На самом деле совсем немного. Циклы — это просто повторяющиеся закономерности отношений между сохраняющимися, подобными частицам сохраняющимися величинами. Итак, сохраняющаяся с течением времени масса планеты вращается вокруг аналогично сохраняющейся массы Солнца, и по этой обнаруживаемой схожей закономерности мы определяем год.

Дело не в том, что у вас не может быть изменений без циклов. Просто без концепции «повторяющихся» некоторых паттернов вы не можете создать истинно метрическую концепцию времени, которая, как и пространство, включает в себя определенные длины и расстояния. Это делает временную версию «расстояния» довольно странной и намного более сложной, чем космическую версию.

Существуют ли уравнения в физике, которые можно считать предсказывающими в пространстве (на заданное время)?

Если вы уберете из уравнения время, то вы уберете из уравнения и «сдачу». (И без изменений все остается одним и тем же «все время».)

Если вы уберете из уравнения все время, кроме одного конкретного момента, вы уберете из уравнения причинно-следственную связь. Вещи, происходящие в одно и то же время в разных местах, не могут иметь причинно-следственной связи в это время.

«Предсказание в пространстве» для одного конкретного момента времени может показаться случайным. Поэтому, хотя я и не студент-физик, мне кажется, что логически таких уравнений быть не может по определению.

Мы по-разному воспринимаем пространство и время. Что, с точки зрения физики, в корне обосновывает это различие?

С точки зрения физики, я не думаю, что есть общепринятый ответ. Я видел объяснения, основанные на «причинности», а также на «энтропии» и на «без разницы, это пространство-время».

Это может быть потому, что физика не обязательно соответствует или объясняет то, что «мы переживаем». Многие физические законы теоретически обратимы, но мы никогда не наблюдаем их в обратном порядке. Другие законы чисто статистические (например, энтропия), но мы никогда не видим, чтобы природа «выбрасывала две шестерки» (или когда вы в последний раз видели, как молоко и кофе не смешиваются?)

Один из наиболее интересных моментов о «времени», с которым я столкнулся, заключается в том, что без времени не было бы пространства. Если бы не время, а пространство, то можно было бы отправиться куда угодно в мгновение ока. Это равносильно утверждению, что вы можете быть одновременно везде, и это то же самое, что сказать, что пространства нет, потому что нет разницы между разными моментами времени.

Прежде чем читать мой ответ, имейте в виду, что я всего лишь студент бакалавриата, поэтому он может быть не совсем корректным, когда речь идет о таких глубоких вопросах.

Время и Пространство принципиально разные. В случае квантовой механики положение является наблюдаемой, а время — параметром. А в теории поля даже пространство становится параметром наряду со временем. Хотя преобразование Лоренца связывает пространственные измерения и временные измерения, все же есть разница. В преобразовании Лоренца никакое преобразование из$t \rightarrow -t$, но вращение может занять$x \rightarrow -x$. Физически это означает, что время однонаправленно, то есть во всех физических процессах нельзя идти от$t_1 \rightarrow t_2$такой, что$t_1 > t_2$, но частица в пространстве может двигаться как в положительном, так и в отрицательном направлении.

Философское обсуждение этого можно начать с парадоксов Зенона и растянуть на тысячи страниц, но с физической точки зрения у нас меньше выбора:

В физике время идет в одном направлении, и самая фундаментальная причина этого: причина и следствие (можно построить и другие причины, но эта самая наглядная и фундаментальная), это делает время непосредственно не вполне эквивалентным пространственным измерениям, и причинно-следственные силы в отношении «нумерации» событий, так что первое событие, затем второе событие, которое является следствием первого... и т. д., эта нумерация создает «иллюзию» возможности измерения времени, и я говорю иллюзию потому что в этом контексте кажется, что эта нумерация абсолютна, но это не так, потому что относительность говорит нам, что скорость обмена информацией ограничена, таким образом, эта "нумерация" является относительной.

Эта возможность измерения говорит нам о том, что время очень похоже на пространственные измерения, даже при этом не следует нарушать причину и следствие, ибо пространство Минковского на самом деле псевдоевклидово, а не евклидово, что придает времени его заслуженное положение: его можно измерить как пространственные измерения, но это все же не то же самое, что и пространственные измерения, потому что оно отвечает за «параметризацию» причины и следствия.

Касательно

Другими словами, если нам дано достаточно информации о состоянии мира в какой-то момент, мы можем предсказать (не считая квантовых соображений) будущее состояние мира.

Этому можно дать очень глубокое объяснение в рамках расслоения расслоения, которое используется в дифференциальной геометрии, если вы знакомы с этой темой, я могу объяснить это для вас.

Я предполагаю, что время для нас особенное по определению (при условии, что вселенная причинно связана).

Я бы не стал рассуждать о том, что было бы, если бы было 3 временных измерения и 1 пространственное, давайте вместо этого представим, что мы живем в 1+1 измерении. Тогда все наблюдатели/частицы/люди/кошки/лесные животные/и т.д. будут разделены на три группы: 1) Те, что движутся со скоростью света по отношению к кому-либо из других групп, 2а) Те, что движутся медленнее, чем скорость света по отношению друг к другу, 2б) Другая группа, члены которой также движутся медленнее скорости света по отношению друг к другу, но для которой члены 2а) движутся быстрее скорости света. Однако 2а и 2б не могут взаимодействовать, потому что это нарушило бы причинность для каждого из них.

Чтобы сделать это более наглядным, представьте, что мы принадлежим к группе 2а. Ничто не может разогнаться до скорости быстрее света - хорошо (кроме самого света, который относится к группе 1). Если представить себе что-то быстрее света — это называется тахионами, следовательно, они принадлежат к группе 2б. Однако тахионы нарушили бы причинно-следственную связь, если бы могли взаимодействовать с нами (были бы системы отсчета, в которых следствие предшествует причине). Следовательно, мы не видим тахионов и у нас есть определенная таким образом собственная временная координата.

Впрочем, я мог бы написать тот же абзац, заменив 2а на 2б и наоборот. Если бы мы были тахионами, мы могли бы также сказать, что эволюционируем во времени, и законы физики были бы для нас такими же. Отсюда ответ на ваши первые вопросы: мы принадлежим к той или иной группе, и это делает одну координату особенной по отношению к другой, поэтому она и называется временем.

Можно возразить (см. другие ответы), что приведенные выше рассуждения противоречат классической квантовой механике. Однако это не так, если рассматривать релятивистскую квантовую механику вместо нерелятивистской, если только не рассматривать квантовые измерения. Другим аргументом, возможно, было бы то, что наше сознание не обязательно должно быть ориентировано на время. Или, другими словами, можно спросить, почему нужно время, чтобы подумать. Ответ на это я не знаю. Наконец, можно было бы сослаться на необратимые процессы, такие как рост энтропии в системах, достигающих равновесия, как на еще один случай, где время играет особую роль.

Возможно, все это как-то связано с тем фактом, что наше сознание привязано ко времени, поэтому мы склонны записывать физические законы в форме, зависящей от времени, и задавать начальные условия в постоянное время. Для обратимых процессов законы можно записать и в виде, где аргументом являются пространственные координаты. Однако, как правило, у нас нет граничных условий для решения уравнений. Итак, из-за сознания такой подход непрактичен. Однако это может быть практично для случаев, когда нам не нужно задавать граничные условия, например, для релятивистских волновых уравнений.

Следовательно, ответ на ваш второй вопрос: да, существует много таких уравнений (например, волновое уравнение), которые позволяют делать прогнозы, рассматривая x как временную координату. Однако некоторые, кажется, не позволяют такие предсказания (например, уравнения, касающиеся необратимых процессов), а для некоторых невозможно записать практически полезные граничные (начальные) условия.

Разница в том, что порядок Времени определяется наличием памяти. То есть сознание создает «стрелу Времени».

Я думаю, что время и пространство по существу эквивалентны, но отличаются масштабом своего цикла. когда вы двигаетесь в пространстве, вы можете развернуться, вернуться к началу или уйти слишком далеко, и вы окажетесь в исходной точке, по крайней мере, для меня это значение детермистичного взгляда. со временем это то же самое, но причинно-следственная связь не позволит вам просто развернуться и вернуться назад во времени, начальная точка изменилась слишком сильно (из-за других действующих лиц), и вы не хотите узнать его, но это также верно, если вы перемещаться в пространстве. другой момент, я думаю, что никто из нас не принимал во внимание аксиому выбора. Это означает, что будущее никогда не будет определяться настоящим, но прошлое неизменно и фиксировано. Возьмем, к примеру, игру Конвея в жизнь: лично я бы сказал, что в эту игру нужно играть задом наперёд, потому что в игре каждая позиция имеет одного и только одного будущего последователя, но бесконечное множество прошлых предшественников. на самом деле мне кажется, что именно opesite. Но теперь их моя точка зрения: если мы выйдем за горизонт событий и громко заявим, что будем идти столько, сколько нам нужно, чтобы найти созвездие, где в каком-то будущем игра приведет нас к исходной точке. ясно, что это созвездие должно быть возможно, а если оно возможно, значит, оно должно существовать. И еще один момент: наша память может хранить в памяти прошлые события, воспроизводить некоторые симуляции и напоминать нам о прошлом. должен быть какой-то материальный способ сохранить или заключить прошлые события в нашем уме, и если это был всего лишь один фотон, который мы получили нашими глазами. сейчас, в момент воспоминанья, мы должны создать какую-то связь с этим прошлым, и что еще есть, чем путешествовать во времени. Здесь, может быть, был всего один электрон, но то, что было возможно для этого одного электрона, должно иметь основную истину в этом мире. в конце концов, аксиома выбора не может быть проигнорирована и должна быть принята во внимание какой-нибудь серьезной математической попыткой определить этот мир, как мы его наблюдаем. ни одно тело не может просто развернуться и вернуться к началу. ни в пространстве, ни во времени; просто я не так воспринимаю этот мир, и не забывайте, что математика рождена человеческим разумом и отражает лишь часть мира. Это должно быть проигнорировано и должно быть принято во внимание некоторыми серьезными математическими попытками определить этот мир, как мы его наблюдаем. ни одно тело не может просто развернуться и вернуться к началу. ни в пространстве, ни во времени; просто я не так воспринимаю этот мир, и не забывайте, что математика рождена человеческим разумом и отражает лишь часть мира. Это должно быть проигнорировано и должно быть принято во внимание некоторыми серьезными математическими попытками определить этот мир, как мы его наблюдаем. ни одно тело не может просто развернуться и вернуться к началу. ни в пространстве, ни во времени; просто я не так воспринимаю этот мир, и не забывайте, что математика рождена человеческим разумом и отражает только часть мира.