Гравитация не зависит от направления времени. На чем основано это утверждение?
Утверждение о том, что гравитация (в рамках Общей теории относительности Эйнштейна) не зависит от направления времени, основано на ее T-симметрии.
Давайте разберем это шаг за шагом.
1. Что такое T-симметрия?
T-симметрия (симметрия относительно обращения времени) — это принцип, который означает, что если мы мысленно "прокрутим пленку" физического процесса назад (t → -t), и полученный процесс будет выглядеть так же физически правдоподобно и подчиняться тем же законам, то данный закон является T-инвариантным.
Проще говоря: если процесс, обращенный во времени, не нарушает законов физики, то эти законы симметричны относительно времени.
2. Гравитация Эйнштейна и T-симметрия
Уравнения Эйнштейна — это фундаментальные уравнения Общей теории относительности (ОТО), которые связывают кривизну пространства-времени (проявление гравитации) с содержащейся в нем материей и энергией.
Если мы в этих уравнениях произведем замену t → -t (обратим время), то вид уравнений не изменится. Это математическое выражение T-симметрии.
Что это означает на практике?
Возьмем простой пример — орбиты планет.
· Прямое время: Планета движется по эллиптической орбите вокруг звезды.
· Обращенное время: Мы смотрим запись этого движения задом наперед. Планета будет двигаться по той же самой эллиптической орбите, но в обратном направлении.
Оба сценария — и прямой, и обратный — полностью удовлетворяют законам гравитации ОТО и законам Кеплера. Обращенное движение не выглядит "неправильным" или нарушающим физические законы. Оба движения являются допустимыми решениями одних и тех же уравнений.
Контрпример: Процесс, не обладающий T-симметрией
Представьте, что вы смотрите запись, где капля чернил падает в стакан с водой и равномерно в ней растворяется, окрашивая воду.
· Прямое время: Энтропия увеличивается (беспорядок растет). Процесс привычный и реалистичный.
· Обращенное время: Мы видим, как равномерно окрашенная вода внезапно собирает все частички чернил в одну аккуратную каплю, которая выпрыгивает из стакана. Энтропия уменьшается (беспорядок спадает).
Этот обращенный процесс нарушает второй закон термодинамики и выглядит абсурдно. Значит, процесс диффузии (и лежащий в его основе второй закон термодинамики) не является T-симметричным.
3. Важное уточнение: Симметрия законов vs. Симметрия конкретных процессов
Здесь кроется ключевой момент:
· Законы гравитации T-симметричны. Уравнения работают одинаково в обоих направлениях времени.
· Но конкретные решения этих уравнений (реальные процессы) — не всегда. Они подчиняются начальным условиям и другим законам, в частности, второму началу термодинамики.
Хотя обращенная орбита планеты физически возможна, мы никогда не увидим, чтобы разлетающиеся осколки после взрыва самопроизвольно собрались обратно в планету. Это не нарушило бы законов гравитации, но чудовищно нарушило бы второй закон термодинамики (резкое падение энтропии). Таким образом, стрела времени задается не гравитацией, а термодинамикой.
4. Наглядная аналогия
Представьте, что вы снимаете на видео, как мяч катится по идеально гладкому полу без трения.
· Прямая запись: Мяч катится вперед.
· Обращенная запись: Мяч катится назад.
Поскольку трения нет, оба видео выглядят абсолютно одинаково правдоподобно. Законы механики (в данном случае, первый закон Ньютона) для этой системы T-симметричны. Гравитация — это такой же "гладкий пол" в плане симметрии относительно времени.
Итог
Утверждение "гравитация не зависит от направления времени" основано на том, что фундаментальные уравнения гравитации (уравнения Эйнштейна) являются T-инвариантными. Обращенное во времени гравитационное взаимодействие (например, орбитальное движение) является столь же допустимым решением, как и прямое. В этом смысле гравитация "безразлична" к направлению течения времени, в отличие от термодинамических процессов, которые и задают нам привычную "стрелу времени".