Самый простой мысленный эксперимент, иллюстрирующий разницу между прошлым и будущим?

Я предлагаю прагматичную интерпретацию вопроса: спланируйте эксперимент E таким образом, чтобы дискриминатор D (например, отдельный человек или группа ученых) мог определить, воспроизводится ли запись R записи E вперед или назад. Чем труднее обмануть D , тем «лучше» E для наших целей. Возможно, это можно было бы выразить более точно в терминах теории информации.

Есть много примеров, которые можно использовать для E . Классический пример взят из термодинамики: поместите два тела в контакт, и тепло самопроизвольно перетечет от более теплого объекта к более холодному, а не наоборот. Если вы наблюдаете, как тепло течет к более теплому объекту, вы, как дискриминатор, можете быть уверены, что видите обратную запись.

Еще более экстремальный пример — открытие контейнера, наполненного цветным газом. Если вы видите, как газ расширяется и рассеивается, вы можете быть уверены, что запись воспроизводится вперед. Если вы видите, что он делает обратное, сжимаясь в объеме и в контейнере, вы можете быть уверены, что запись воспроизводится в обратном направлении. Было бы чрезвычайно трудно — что-то вроде «великого заговора» — создать такие начальные условия, при которых газ мог бы делать такие вещи при обычном временном развитии. Дополнительную информацию по этому вопросу см. в статье SEP о термодинамической асимметрии во времени .

Имеются электромагнитные и гравитационные аналоги вышеперечисленному в плане приходящего/исходящего электромагнитного или гравитационного излучения, где последнее уходит в бесконечность. По этим линиям можно установить связь с некоторыми астрофизическими/космологическими концепциями, такими как метрика Вайдья и белые дыры . По касательной: этот ответ на вопрос «Как вы докажете, что вы из будущего?».

Существует также возможная связь между квантовой запутанностью и стрелой времени , причем идея состоит в том, что первая (возрастающая запутанность) может объяснить вторую.

Используя малоизвестный подход к квантовой механике, который рассматривал единицы информации как ее основные строительные блоки, Ллойд провел несколько лет, изучая эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц и нулей. Он обнаружил, что по мере того, как частицы становятся все более запутанными друг с другом, информация, которая первоначально описывала их (например, «1» для вращения по часовой стрелке и «0» для вращения против часовой стрелки), будет смещаться, чтобы описать систему запутанных частиц в целом. . Как будто частицы постепенно теряли свою индивидуальную автономию и становились пешками коллективного государства. В конце концов, корреляции содержали всю информацию, а отдельные частицы не содержали ее. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы приходят в состояние равновесия, и их состояния перестают меняться, как кофе, остывший до комнатной температуры.

По мнению ученых, нашу способность помнить прошлое, но не будущее, еще одно исторически сбивающее с толку проявление стрелы времени, также можно понимать как нарастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда вы читаете сообщение на листе бумаги, ваш мозг связывается с ним через фотоны, достигающие ваших глаз. Только с этого момента вы сможете вспомнить, что говорится в сообщении. Как выразился Ллойд: «Настоящее может быть определено процессом соотнесения с нашим окружением».

Возможно, упомянутые выше виды простых систем могут удовлетворить ваши критерии.

См. Также Связь между психологическими и термодинамическими стрелами времени (2014) Леонарда Млодинова и Тодда А. Бруна:

В этой статье мы излагаем аргумент о том, что в целом психологическая стрела времени должна совпадать с термодинамической стрелой времени, если эта стрела четко определена.Этот аргумент применим к любой физической системе, которая может действовать как память в смысле сохранения записи о состоянии какой-либо другой системы. Этот результат следует из двух принципов: устойчивости термодинамической стрелы времени к малым возмущениям состояния и принципа, согласно которому память не должна быть тонко настроена, чтобы соответствовать состоянию записываемой системы. Этот аргумент применим, даже если сама система памяти является полностью обратимой и недиссипативной. Мы выдвигаем аргумент с парадигматической системой, а затем формулируем его более широко для любой системы, которую можно считать памятью. Мы проиллюстрируем эти принципы на нескольких других примерах систем и сравним наши критерии с более ранними подходами к этой проблеме.

Также есть статьи об этом здесь (раздел «Системы памяти») и здесь .

Никакой сложной математики или физики не требуется, чтобы фундаментально ответить на поставленный вопрос.
Мысленный эксперимент не требуется. Настоящее дает информацию о прошлом и настоящем совершенно иначе, чем эта информация говорит о будущем. Хотя будущее можно предсказать многочисленными методами, недостающая часть предсказания делает различие между прошлым и будущим очевидным. События, происходящие в дальних уголках Вселенной, о которых мы ничего не знаем, могут пересечься с предсказанным будущим таким образом, что это изменит предсказание будущего и создаст состояния, которые иначе нельзя было бы включить в предсказание, основанное на прошлых или настоящих условиях. Прошлые события можно узнать, а будущие можно только предсказать. Различие между прошлым и будущим полностью основано на этой информации, которую нельзя узнать, пока она не произошла в настоящем.

Я утверждаю, что коренное различие между прошлым и будущим не в том, что прошлое помнят, а в том, что прошлое забывается.

В макромасштабе, в примерах, приведенных другими, включая «воспроизведение фильма в обратном направлении», то, что обычно выдает тот факт, что он воспроизводится в обратном направлении, заключается в том, что система демонстрирует более разнородные детали в прошлом. Типичным примером является диффузия: уравнение диффузии/тепло показывает, что в прямом направлении кривизна (вторые производные по отношению к пространству) сглаживается, то есть пространственные флуктуации температуры или плотности со временем уменьшаются. Если вы повернете время вспять, в уравнении появится знак минус, говорящий о том, что флуктуации (пространственные неоднородности) будут расти. Но это уравнение управляет переменными макросостояния, которые уже являются локальными средними значениями, поэтому парадокс заключается в том, почему такая асимметрия существует для этих макропеременных, когда основная микроскопическая динамика обратима во времени.

Это подсказывает подход к мысленным экспериментам на микроуровне в том же духе, о котором, как я думаю, вы спрашивали. Что вам нужно, так это сценарий, в котором система запускается в каком-то состоянии, а время движется вперед. Затем, через некоторое время, скорость каждой частицы мгновенно меняется на обратную, и система продолжает развиваться. Если время симметрично, то система вернется в исходное состояние. Стрела времени была бы обозначена любой системой, которая не возвращалась бы в исходное состояние при реверсировании скорости (и реверсировании всего, что линейно зависит от времени). Точно так же должен быть какой-то способ сказать, что скорости были изменены на противоположные, а не наоборот. Я приведу два примера:

1. Два электрона приближаются друг к другу, сталкиваются и разбегаются. При таком столкновении электроны ускоряются и поэтому испускают излучение. Если после столкновения вы поменяли скорости на противоположные, само столкновение разыгралось бы в обратном порядке, но было бы испущено дополнительное излучение, тогда как если бы вы воспроизвели фильм в обратном направлении, излучение пришло бы из бесконечности и было бы поглощено электронами.

2. Рассмотрим демона Максвелла, который позволяет частицам газа проходить из левой камеры в правую, в то время как частицы, падающие на ворота справа, отражаются обратно в правую камеру. (На самом деле, это не обязательно должен быть демон, подойдет и односторонний клапан, но создание одностороннего клапана в микроскопическом масштабе само по себе нетривиально.) Дайте демону поработать какое-то время, а затем измените направление движения. скорости всех частиц, а частицы, которые изначально прошли из левой камеры в правую, не смогут вернуться в левую камеру, как если бы вы проигрывали фильм в обратном направлении. Если вы также потребуете, чтобы демон переворачивался, когда скорости меняются местами, позволяя частицам двигаться справа налево, а не слева направо, вы все равно не вернетесь в исходное состояние, потому что частицы справа, которые первоначально были исключены из прохождения, теперь будут допущены. Вы не только восстановите частицы, первоначально прошедшие слева направо, обратно в левую камеру, но и допустите в левую часть некоторых других частиц из правой камеры, которых там изначально не было.

Могу ли я вспомнить событие в будущем? Да, если я смогу путешествовать назад во времени. Или даже просто сделать запись будущего события с отметкой времени, которую я отправляю назад во времени, а затем читаю/просматриваю в прошлом. Поскольку в физике нет ничего, что абсолютно запрещало бы путешествие назад во времени (хотя это кажется очень сложным и энергетически затратным), не может быть простого мысленного эксперимента, доказывающего, что вы можете помнить только прошлое.

В блочной вселенной пространство-время аналогично двумерному ковру с предсказуемой структурой. Паттерн в настоящем местоположении точно говорит вам о паттерне в любом направлении вокруг вас (в прошлом и будущем). Законы физики полностью детерминированы, поэтому мы можем провести аналогию. Вы можете вычислить с помощью вероятностей, используя физические законы, как выглядит паттерн в любом направлении, включая будущее направление. И вы можете вспомнить шаблоны, которые вы уже видели. Итак, «почему тривиально хранить немного информации о прошлом событии, но не о будущем событии», как вы спросили? Ну, вы взаимодействовали или запутались с локальным участком пространства-времени. И в этом взаимодействии частично происходил биофизический процесс формирования воспоминаний в вашем мозгу. Вы не формируете воспоминания о будущем, или отдаленные части ковра, в которых вы не были, потому что вы еще не взаимодействовали, не запутались с ними или не были локальными для них. Вы можете рассчитать с помощью уравнений физики, какими будут будущие паттерны, но это не «запоминание» их. Это подчеркивает важность локальности взаимодействий. Вещи взаимодействуют, когда они находятся близко в пространстве-времени.

Можно еще многое сказать (почему мы воспринимаем течение времени в блочной вселенной, стрелу (стрелы) времени/второй закон), но мне интересно, нужно ли что-то из этого, чтобы ответить на ваш первоначальный вопрос, если быть откровенным?

Наше сознание настраивается только на одну из двух энтропийных стрел времени. По крайней мере, так мы думаем. Возможно, процесс совершенно симметричен и есть другое сознание, которое видит время вперед в противоположном направлении. Они могут понимать мир в обратном направлении точно так же, как мы можем понимать мир в прямом. Прямые просто означают направление, в котором возрастает энтропия. В их мире энтропия всегда или в большинстве случаев уменьшается.

Самый простой из возможных мысленных экспериментов — это тот, который вы уже приводили. Я думаю, что могу помнить прошлое, но не думаю, что могу помнить будущее.

Но вы спрашиваете о другом, чему у физики нет объяснения. Известные законы физики обратимы во времени. Даже энтропия технически обратима во времени. Учитывая статистическое состояние низкой энтропии в определенное время и отсутствие внешнего вмешательства , энтропия будет увеличиваться как вперед, так и назад во времени! Мы просто отвергаем это как абсурд и предполагаемчто состояние низкой энтропии может возникнуть только как начальное условие, созданное внешним вмешательством. Насколько нам известно, это очень хорошее предположение. Однако это больше связано со здравым смыслом, чем с фундаментальными законами физики. Ведь в любом физическом эксперименте мы задаем начальное состояние системы с помощью постороннего вмешательства. Вы действительно просите эксперимент, который этого не делает. Такой эксперимент физике неизвестен.

Я придумал один мысленный эксперимент, основанный на модели расширяющейся-сжимающейся Вселенной. В такой вселенной начальное состояние Большого Взрыва идентично конечному состоянию Большого Сжатия. Оба являются идентичными сингулярностями, поэтому энтропия должна быть одинаковой в обоих состояниях. В этом случае можно было бы подумать, что закон энтропии в коллапсирующей Вселенной должен определяться Большим Сжатием, и в этом случае в коллапсирующей Вселенной он был бы обратным. Тогда цивилизация могла бы в коллапсирующей Вселенной переживать время в обратном направлении в соответствии с нашим представлением о будущем и прошлом. Такая цивилизация могла бы оставить артефакт на мертвой планете, и когда-нибудь в будущем мы могли бы отправиться на эту планету и найти его. Тогда мы могли бы уничтожить его, а это означает, что будущая цивилизация никогда бы не покинула его.

Насколько я понимаю, существование такого парадокса во Вселенной, подчиняющейся известным законам физики (даже если это не наша Вселенная), показывает только одно. Что мы не знаем фундаментальной причины различия между прошлым и будущим.

Я лично чувствую, что ответ похоронен в выводе Гиббсом канонического ансамбля. Вы можете начать с чего-то подобного, в микроскопическом масштабе, имея дело с множеством твердых ньютоновских частиц,

Итак, на данном этапе математики все полностью обратимо во времени:

Если вы согласны с тем, что форма волны не реальна и что она представляет знания наблюдателей о системе, то каждое измерение QM подчеркивает разницу между прошлым и будущим. Возможно, настоящая загадка заключается в том, почему системы ведут себя так, как они ведут себя при преобразовании t → -t .

Другое наблюдение касается цепей Маркова. Если я заставлю процесс двигаться назад, а не вперед, метки изменятся. Но это, кажется, потому, что мы помечаем стрелки условными вероятностями. Если бы мы пометили стрелки абсолютными вероятностями, метки не изменились бы, когда мы повернули время вспять. Так что это просто любопытство.

Абсолютной вероятности не существует, вероятности всегда обусловлены тем, что мы знаем в данный момент. Если бы мы могли знать будущее, все будущие события имели бы вероятность 0 или 1, как и события в прошлом, не было бы марковских процессов, все было бы детерминировано. Таким образом, вы на самом деле делаете важное замечание: вероятности были бы бессмысленными, если бы стрела времени была обратимой.

Если «время» связано со «знанием», то оно связано с «нами», наблюдателем . Итак, давайте возьмем атропоцентрический взгляд на то, что каждый раз, когда мы узнаем что-то новое, например, когда мы делаем новое измерение или наблюдение, часы тикают. Если мы никогда не разучимся, счетчик всегда будет двигаться вперед. Если бы мы могли разучиться, стерев память о заученном событии, счетчик вернулся бы назад, но мы никогда не узнали бы, что совершили путешествие назад во времени. Когда мы заново изучим его, неусвоенное событие будет выглядеть так же новым и захватывающим, как и в первый раз.