我们可以决定时间的方向么?

 tianxiadiyi   2019-08-29 19:12   15 人阅读  0 条评论

  咱们可以决议时刻的方向么?

  对一种遍及存在的现象的调查呈现了意外的分形行为,这或许给咱们供给了关于前期世界和时刻之箭的头绪。咖啡与整个世界一起挨近热平衡将牛奶倒进咖啡,白色的漩涡与卷须很快就会褪成棕色。半小时后,饮料会冷却到室温,几天后,液体就会蒸腾。再过几个世纪,杯子将会分裂,数十亿年后,整个行星、太阳和太阳系都将散失。在整个世界中,一切的物质和能量都在像咖啡和恒星这样的热点中分散,终究(几万亿年后)在空间中均匀散布。换句话说,咖啡和世界的未来是相同的。这种物质和能量的逐步传达,咱们称之为“热化”,与时刻相关。事实上,时刻的箭头是不可逆的,因而热咖啡会变冷但从不会自发的变热,但这并不是由咖啡分子的根本运动规则所决议的。相反,热化是一种核算成果:咖啡的热量更或许传到达空气中,而不是冷空气分子将能量会集到咖啡中,就像洗一副新牌,不按花样和巨细排序的对其重复洗牌(译者注:把新牌洗乱的进程,到达一种核算上的平衡)。一旦咖啡,杯子和空气到达热平衡,它们之间就不再有能量活动,也不会发作进一步的改变。因而,世界规范上的热平衡被称为“世界的热寂”。虽然很简略看出热化带来的影响(使咖啡变凉,使世界热寂),但整个进程怎么开端的并不显着。德国海德堡大学的理论物理学家Jürgen Berges说,“假如像前期世界那样从远离平衡开端,那么依据第一性原理,时刻之箭是怎么呈现的?”他现已研讨了这个问题十多年了。 Jürgen Berges,海德堡大学物理学教授是了解远离平衡动力学遍及性的带头人。在曩昔的几年里,Berges和同行们发现了一个令人惊奇的答案。研讨人员发现了简略的,所谓的“普适”规则,它操控着由许多远离热平衡的粒子组成的各种体系的初期改变。他们的核算标明,这些体系——如地球上发作的最热的等离子体和最冷的气体,或许还有理论上在最开端的一会儿填充世界的能量场——不管体系是什么组成的,都可以用少量几个普适的参数来描绘它们的时刻演化。研讨成果标明,热化的初期与后期十分不同。尤其在远离平衡的体系中表现出相似分形的行为,这意味着它们在不同的空间和时刻规范上看起来十分相似。他们的特点仅仅经过所谓的“标度指数”搬运——科学家发现这些指数通常是简略的数字,相似于1/2和-1/3。例如,依据标度指数,粒子在某一刻的速度可以被从头标度,以便在任何时刻给出速度散布。各种极点初始条件下的各种量子体系好像都归于这种相似分形的图画,在转变到规范热化之前的一段时刻内表现出普适标度(universal scaling)。“我觉着这项作业十分令人兴奋,由于它提出了一个一致的规则,咱们可以用它来了解一大类远离平衡的体系,”并没有参加这项作业的哈佛大学量子物理学家Nicole Yunger Halpern说,“这些研讨为咱们供给了期望:即便是这些十分紊乱的杂乱体系也可以用简略的图画来描绘。”人们遍及以为Berges是相关理论的带头人,2008年以来,他们宣布了一系列开创性论文,论述了普适标度的物理图画。一起作者本年春天在PRL的一篇论文中又迈出了一步,探讨了“预标度”(prescaling),即普适标度的提高。海德堡的Thomas Gasenzer团队也在5月份的PRL论文中研讨了预标度,更深化地研讨了类分形行为的开端。当其他人在研讨普适常数的来源时。一些研讨人员现在正在试验室中探究远离平衡动力学。专家标明,普适标度也有助于处理关于量子体系怎么可以进行热化的深层概念性问题。剑桥大学的Zoran Hadzibabic标明,各方面都有“紊乱的发展” 。他和他的团队正在经过瞬间调整气态钾-39原子的相互作用强度,然后让他们演化,来研讨普适标度。能量级联当Berges开端研讨远离平衡的动力学时,他想要了解世界开端时的极点条件,组成现在世界的粒子们正是来源于此。这些条件本应发作在世界胀大之后不久——许多世界学家以为世界的爆炸性胀大是世界大爆炸的开端。胀大会炸毁任何现有的粒子,只剩下空间本身的均匀能量:一个彻底滑润,密布,振动的能量场,被称为“凝集体” 。Berges 在2008年与合作者Alexander Rothkopf,Jonas Schmidt 模仿了这种凝集体,他们发现其演化的第一阶段应该展现出类分形的普适标度。“你会发现这个大凝集体衰变成咱们今日调查到的粒子的进程中,可以经过少量几个数字十分高雅地描绘,”他说。要想知道这种普适标度现象长什么样,请考虑最近发现的生动前史先兆。1941年,俄罗斯数学家Andrey Kolmogorov描绘了能量经过湍流“级联”的方法。比方,当你在拌和咖啡时,你会在很大的空间范围内创立一个漩涡。科尔莫戈罗夫意识到这种漩涡会自发地发作较小的漩涡,以及更小的漩涡。Kolmogorov从流体的规范推导出来,当你拌和咖啡时,你注入到体系的能量以普适衰减因子的速率级联至更小空间的漩涡。Kolmogorov的“ -3/5法“总是显得奥秘,即便它是湍流研讨的柱石。可是现在物理学家们发现了远离平衡动力学中有根本相同的类分形普适标度现象。依据Berges的说法,能量级联或许在两种状况下都会呈现,由于它们是跨规范分配能量的最有用方法。咱们天性地知道这一点。Berges说道,“假如你想在咖啡中加糖,你就会拌和它,而不是摇晃它。你知道这是从头分配动力的最有用方法。”远离平衡体系中的普适标度现象与湍流流体中的分形漩涡之间存在一个要害差异:在流体状况下,Kolmogorov规则描绘了跨过空间维度的能量级联。在这项新作业中,研讨人员将远离平衡体系视为在时刻和空间上都具有类分形的普适标度。以世界的诞生为起点。在世界胀大之后,假定的振动与填充空间的凝集体将敏捷转变为密布的量子粒子场,一切量子粒子都以相同的特征速度运动。Berges和他的搭档估测,这些远离平衡的粒子随后开端呈现世界的热演化时,表现出由普适标度指数操控的分形标度。改变的初期阶段热化——能量在整个粒子体系中分散直至到达热平衡的趋势——与时刻之箭相关。新的研讨标明该进程先于一个名为普适标度的类分型阶段。体系是自相似的,粒子的这一时刻的特点可以重标度为前一刻或后一刻的特点。以下是假说的前期世界衰亡方法。远离平衡态:空间指数级胀大后,世界充满了以特定速度运动的粒子密度场。普适标度:粒子指数级增速或减速,慢的粒子终究构成布景凝集体热化:运动的粒子分散开来,不断进行能量分配直到平衡依据该团队核算和核算机模仿,会有两个级联向相反方向移动,而不是湍流那样的单个级联。在大多数体系中的粒子会从一个时刻减速至下一刻,以特定的速度级联至更低的速度——在这种状况下,标度指数约-3/2。终究他们会堕入中止,构成另一个凝集体。(这个不会振动或转化为粒子,相反它会逐步衰减。)一起,脱离慢粒子的大部分能量将级联到别的一些粒子上,这些粒子以指数的速率提速。根本上,这些粒子运动速度会变得十分快。快粒子随后会衰变成现在存在的夸克,电子和其他根本粒子。然后,这些颗粒将阅历规范的热化,相互散射并分配它们的能量。这一进程在现在的世界中仍在继续,并将继续数万亿年。更简化关于前期世界的主意不简略查验。可是在2012年左右,研讨人员意识到,在试验中也呈现了一种远离平衡的状况,即:在纽约的相对论重离子对撞机和欧洲的大型强子对撞机中,重型原子核以挨近光速的速度被碰击在一起。这些核磕碰发作极点的物质和能量结构,然后开端弛豫到平衡态。你或许以为磕碰会发作一个杂乱的紊乱。可是当Berges和他的搭档在理论上剖析磕碰时,他们发现了其内涵的结构性和简略性。Berges说,“动力学用几个数字就能编码。”这种方法一向继续着。2015年左右,在与试验室勘探超冷原子气体的试验家攀谈之后,Berges,Gasenzer和其他理论家核算出这些体系在敏捷冷却到远离平衡的条件后也应表现出普适标度。上一年秋天,两个小组 —— 一个由海德堡的Markus Oberthaler领导,另一个由维也纳量子科学与技能中心的Jörg Schmiedmayer领导 ——一起在《科学》杂志上报导,经过研讨气体中的10左右个原子的各种特点在空间和时刻上发作的改变,他们也观测到了类分形的普适标度。“相同,也更简略了,”Berges说,他是第一个猜测这种体系现象的人之一。“你可以看到动力学可以用一些标度指数和普适标度函数来描绘。其间一些成果与前期世界中猜测的粒子相同。这便是普适性。“研讨人员现在信任,普适标度现象发作在nK规范的超冷原子体系中,10万亿K规范的核磕碰体系中,以及前期世界的1万亿亿亿K规范体系中。“这便是它普适的当地:你可以预期在不同的能量和长度规范上看到这些现象,”Berges说。人们最固有的爱好或许仍是在于前期世界的状况,可是孤立的试验室体系是高度可控的,这使科学家们可以梳理出改变初期的普适规则。“咱们知道盒子里的一切东西,”Hadzibabic说道,“正是这种与环境阻隔的孤立体系让你可以以朴实的方法研讨这种现象。”一个首要的推动力是弄清楚体系的标度指数来自何处。在某些状况下,专家现已将指数追寻到体系占有的空间维度的数量,以及它的对称性——坚持体系不变的各种操作方法(正如旋转90度时正方形坚持不变相同 )。这些见地有助于处理体系热化进程中有关曩昔信息的悖论。量子力学要求跟着粒子的演化,关于曩昔的信息永久不会丢掉。但是,热化好像与此相对立:当两杯无人为干涉的咖啡都到达室温时,你怎么能分辩哪一个开端更热?好像跟着体系开端演化,要害细节,如其对称性,被保存并编码在标度指数中,指示其分形演化,而其他细节,如其粒子的初始装备或它们之间的相互作用,关于它的行为变得无关紧要,并被这些粒子彻底打乱了。而这种打乱进程的确很早就发作了。在本年春天的论文中,Berges,Gasenzer及其合作者初次各自独登时描绘了预标度,他们的文章分别在核磕碰体系和超冷原子体系中猜测到普适标度之前的一段时期会呈现预标度。预标度标明,当一个体系初次从其开始的远离平衡状况演化时,标度指数并不能完美地描绘它。该体系保存了其从前的一些结构:其初始构型的剩余。但跟着预标度的发展,体系在空间和时刻上选用更遍及的方法,根本上含糊了关于其本身曩昔的无关信息。假如这个主意在未来的试验中得到证明,那么预标度或许是将时刻箭头锁定在弓弦上。由必发88编辑报道

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