前の章で、時間の性質に対する人々の見方が時間の経過とともにどのように変化したかを見てきました。20 世紀初頭まで、人々は絶対時間を信じていました。つまり、各イベントは時間と呼ばれる数値で一意にマークでき、すべての適切なクロックは 2 つのイベント間の時間間隔の測定において一貫しています。しかし、動いている観測者にとって光の速度は常に同じであるという発見は、相対性理論につながりました。相対性理論では、単一の絶対時間が存在するという概念を破棄しなければなりませんでした。代わりに、各オブザーバーが持っている時計は自分の時間を測定し、異なるオブザーバーが持っている時計は必ずしも同じとは限りません.このようにして、時間は、測定を行う観察者にとってより主観的な概念になります。
重力と量子力学を統一しようとするとき、虚時間の概念を導入しなければなりません。架空の時間は、空間の方向と区別できません。北に行けるのなら頭を向ければ南に行けるし、同じように虚の時間を進むことができるのなら、向きを変えて戻ることができるはずだ。これは、仮想時間では、前進と後退の間に重要な違いがないことを示しています。一方、リアルタイムで見ると、よく知られているように、順方向と逆方向で非常に大きな差があります。この過去と未来の違いはどこから来るのでしょうか。なぜ私たちは未来ではなく過去を覚えているのでしょうか?
科学の法則は、過去と未来を区別しません。より正確には、前に説明したように、科学の法則は、C、P、および T と呼ばれる作用 (または対称性) の組み合わせの下で不変です。 （Cは粒子を反粒子に置き換えること、Pは鏡像をとって左右を入れ替えること、Tはすべての粒子の運動方向を逆にする、つまり運動を元に戻すことを意味します。 ) すべての通常のケースでは、オブジェクトの動作を支配する科学法則は、CP ジョイント対称性の下で変更されません。言い換えれば、私たちの鏡像であり、物質ではなく反物質でできている他の惑星の住人にとって、生命はまったく同じです.
科学の法則が CP 関節対称性と CPT 関節対称性の両方の下で不変である場合、それらは T 対称性だけの下でも不変でなければなりません。しかし、日常生活のリアルタイムでは、依然として前進と後退の大きな差があります。コップ一杯の水がテーブルから滑り落ちて床に激突したと想像してみてください。ビデオに撮っておけば、前進か後進かは簡単にわかります。注ぎ戻すと、破片が床から飛び出し、テーブルに跳ね返って完全なカップを形成するのが見えます。この動作は日常生活では見られないため、ビデオが逆方向に再生されていることがわかります。このままでは陶磁器業界はどうしようもない。
壊れたカップが集まり、地面を離れてテーブルに戻るのを見たことがない理由についての通常の説明は、これが熱力学の第 2 法則に違反しているということです。言い換えれば、これはマーフィーの法則の一形態であり、物事は常に悪い方から悪い方へと進行する傾向があります。つまり、テーブルの上に一杯のカップがあれば非常に秩序立った状態であり、床にある壊れたカップは無秩序な状態です。先にテーブルの上にあるカップから、後で地面にある壊れたカップに移動するのは簡単ですが、その逆ではありません。
無秩序またはエントロピーの時間の経過による増加は、時間の矢として知られているものの例です。時間の矢は過去と未来を区別し、時間の方向を示します。少なくとも 3 つの異なる時間の矢があります: 最初に、無秩序またはエントロピーが増加する方向である熱力学的な時間の矢と、時間の知覚の方向である心理的な時間の矢があります。未来の代わりに過去; 最後に、時間の宇宙論的な矢、宇宙が収縮ではなく膨張している方向があります.
この章では、宇宙の無境界条件と弱い人間原理が一緒になって、なぜ 3 つの矢印すべてが同じ方向を指しているのかを説明すると主張します。また、明確に定義された時間の矢が存在しなければならない理由。心理的な矢は熱力学的な矢によって決定され、両方の矢は常に同じ方向を指している必要があると主張します.宇宙の境界条件がないと仮定すると、明確に定義された熱力学的および宇宙論的な時間の矢がなければならないことがわかります。しかし、宇宙の全歴史を通じて、それらは常に同じ方向を向いていたわけではありません.しかし、それらが一致した場合にのみ、宇宙の膨張の時間方向で無秩序度が増加する理由を問うことができる知的生命体の発達に適した条件であることを指摘します。
まず、熱力学的な時間の矢について説明します。秩序状態より無秩序状態の方が常に多いという事実が、熱力学の第 2 法則の存在理由です。たとえば、ジグソー パズルの箱を考えてみましょう。小さなピースの配置が 1 つだけで、全体像を構成しています。一方で、小さな紙片が乱れ、図にまとめることができない膨大な数の順列があります。
システムがこれらの数少ない順序付けられた状態の 1 つから開始するとします。時間が経つにつれて、このシステムは科学の法則に従って進化し、その状態が変化します。あとは、乱れが多いので、秩序よりも乱れやすい。したがって、システムが高度に順序付けられた初期条件に従う場合、無秩序の程度は時間とともに増加します。
ジグソーパズルの箱のピースが絵になる順番の組み合わせで始まったと仮定すると、箱を振ると、ピースは別の組み合わせになり、適切な絵を形成しない無秩序な組み合わせになる可能性があります。非常に多くの無秩序な組み合わせがあります。一部の塊はまだ部分的な画像を形成する場合がありますが、箱を振れば振るほど、塊が分離する可能性が高くなり、塊は完全に混乱した状態になり、どのような種類の画像も形成できなくなります。したがって、シートが高度に秩序化された状態の初期状態から開始すると、シートの乱れは時間とともに増加する可能性があります。
しかし、宇宙がどのような状態で始まったとしても、それは高度に秩序化された状態で終わらなければならないと神が決定したことを考えると、初期の宇宙は無秩序な状態にあった可能性があります.これは、時間の経過とともに障害が減少することを意味します。割れたカップが集まってテーブルに跳ね返るのが見えます。しかし、カップを観察する人は誰でも、時間とともに無秩序が減少する宇宙に住んでおり、そのような人は心理的に時間の逆方向の矢を持つと私は主張します.つまり、彼らは過去の出来事よりも未来の出来事を覚えています。ガラスが割られたとき、彼らはそれがテーブルの上にあったことを覚えていましたが、テーブルの上にあったとき、彼らはそれが地面にあったことを覚えていませんでした.
人間の記憶について議論することは、脳の仕組みの詳細がわからないため、かなり難しい.ただし、コンピュータのメモリがどのように機能するかはわかっています。そこで、コンピューターの心理的な時間の矢について説明します。コンピューターと人間は同じ矢を持っていると考えるのが妥当だと思います。そうでなければ、人々は来年の価格を記憶するコンピューターを持つことで、証券取引所を崩壊させることができます.
一般に、コンピュータのメモリは、2 つの状態のいずれかで存在できる要素を含むデバイスです。簡単な例として、そろばんがあります。最も単純な形では、多数の鉄の棒で構成されており、各棒には 2 つの位置のいずれかで保持できるロザリオがあります。コンピュータのメモリが格納される前は、そのメモリは無秩序な状態にあり、ロザリオは同じ確率で 2 つの可能な状態にあります。 （そろばんの鉄棒にそろばん玉が無造作に散らばる）。記憶が記憶されるシステムと相互作用した後、システムの状態に応じて、メモリは何らかの状態にある必要があります (各そろばん玉はバーの左または右に配置されます)。記憶は無秩序な状態から整然とした状態に移行します。ただし、記憶を正しい状態に保つには一定量のエネルギーが必要です (たとえば、そろばん玉を動かしたり、コンピューターの電源を入れたりします)。このエネルギーは熱の形で放散され、それによって宇宙の無秩序の量が増加します。この無秩序の増加は、記憶自体の順序の増加よりも常に大きいことを証明できます。このように、コンピューターの冷却ファンによって放出される熱は、コンピューターがアイテムをメモリに記録するとき、宇宙の無秩序の総量が依然として増加していることを示しています。コンピューターが過去を記憶する時間の方向は、無秩序が増加する方向と一致しています。
したがって、時間の方向に対する私たちの主観的な感覚、つまり心理的な時間の矢は、熱力学的な時間の矢によって心の中で決定されます。コンピューターと同じように、エントロピーが増加する順序で物事を記憶する必要があります。これは、熱力学の法則をほとんど退屈なものにします。無秩序が増加する方向で時間を測定するため、無秩序は時間とともに増加します。これを賭ければ、勝つことが保証されます。
しかし、いったいなぜ、熱力学的な時間の矢が存在しなければならないのでしょうか?言い換えれば、過去の時間と呼ばれるものの一方の端で、宇宙が高度に秩序化された状態にあるのはなぜですか?いつも完全に無秩序ではないのはなぜですか？結局その可能性が高かったようです。そして、宇宙の膨張と同じ時間方向に無秩序が増加するのはなぜですか?
古典的な一般相対性理論では、既知の科学法則はすべてビッグバン特異点で崩壊するため、宇宙がどのように始まったかを予測することはできません。宇宙は、非常に滑らかで整然とした状態で始めることができます。これは、私たちが観察するときに、明確に定義された熱力学的および宇宙論的な時間の矢につながります。ただし、非常に途切れ途切れの障害から合理的に開始することもできます。その場合、宇宙はすでに完全な無秩序の状態にあるため、無秩序の度合いが時間の経過とともに増加することはありません。または、それは一定に保たれ、明確に定義された熱力学的時間の矢印はありません; または減少し、熱力学的時間の矢印は宇宙時間の矢印と反対になります.これらの可能性のどれも、私たちが観察したものには当てはまりません。しかし、これまで見てきたように、古典的な一般相対性理論はそれ自身の崩壊を予測しています。時空の曲率が大きくなり、量子重力効果が重要になり、古典理論が宇宙をうまく説明できなくなったとき、宇宙がどのように始まったかを理解するには重力の量子理論を使用しなければなりません。
前の章で見たように、重力の量子論では、宇宙の状態を特定するために、宇宙の可能な歴史が過去の時空の境界でどのように振る舞ったかを言わなければなりません。これらの歴史が無境界条件を満たしている場合にのみ、私たちが知らないことと知らないことを説明しなければならないという困難を回避できます。それらは規模が有限ですが、境界、エッジ、または特異点を持ちません。この場合、時間の始まりは規則的で滑らかな時空の点であり、宇宙は非常に滑らかで整然とした状態で膨張を開始します。完全に均一になることはできません。そうしないと、量子論の不確定性原理が破られてしまいます。密度と粒子速度には小さな変動がなければなりませんが、境界条件がないということは、これらの変動が不確実性原理と一致する限り小さいことを意味します。
宇宙は指数関数的またはインフレーションの期間から始まり、その間に非常に大きな要因でサイズが増加しました。膨張中、密度変動は最初は小さいですが、その後大きくなります。平均よりわずかに密度が高い領域では、余分な質量の重力により膨張が遅くなります。最終的に、そのような領域は膨張を止めて崩壊し、銀河、星、そして私たちのような人間を形成します.宇宙は滑らかで整然とした状態で始まり、時間の経過とともに波状の無秩序な状態に進化しました.これは時間の熱力学的矢の存在を説明します。
宇宙が膨張を止めて収縮を始めたらどうなるでしょうか?熱力学の矢印が逆になり、無秩序が時間とともに減少し始めるのではないでしょうか?これにより、膨張期から収縮期まで生き残る人々に、あらゆる種類の SF の可能性が残されます。ガラスの破片が床から落ちてテーブルに跳ね返るのを見るでしょうか?彼らは明日の価格を覚えていて、株式市場で大儲けできるでしょうか?宇宙は少なくともあと 100 億年は縮小し始めることはないので、そのときに何が起こるかを心配するのは衒学的に思えるかもしれません。しかし、未来に何が起こっているかを知るためのより速い方法があります。それはブラックホールの中に飛び込むことです。星が崩壊してブラック ホールになる過程は、宇宙全体の崩壊の後期段階と非常に似ているため、宇宙の収縮段階で乱れが減少すれば、ブラック ホールでも乱れが減少すると期待できます。したがって、ブラック ホールに落ちた宇宙飛行士は、賭けをする前にボールがルーレット ボードのどこに行くかを覚えておくことで、お金を獲得できる可能性があります。 (しかし、残念なことに、彼がスパゲッティに変わるまでにそれほど時間はかかりません。また、彼は熱力学の矢の逆転について私たちに知らせることも、彼の賞金を銀行に預けることさえできません。後でブラックホール。）
最初は、宇宙が崩壊すると無秩序が減ると信じていました。これは、宇宙が再び小さくなり、滑らかで整然とした状態に戻らなければならないからです。これは、収縮段階が単に拡大段階の時間反転であることを示唆しています。収縮段階にある人々は逆に生きます。彼らは生まれる前に死に、宇宙が収縮するにつれて若くなります。
このアイデアは、拡張フェーズと収縮フェーズの間の美しい対称性を示唆しているため、興味深いものです。しかし、宇宙に関する他の考えを無視して、この考えだけを採用することはできません。問題は、それは無境界条件によって暗示されているのか、それともこの条件と両立しないのかということです。私が言ったように、私は当初、境界条件がないということは、収縮段階で無秩序が減少することを意味すると考えていました。私は、地球の表面との類似性に一部惑わされました。宇宙の始まりを北極に対応させるとすれば、南極が北極に類似しているように、宇宙の終わりはその始まりに類似しているはずです。ただし、北極と南極は、虚数時間における宇宙の始まりと終わりに対応しています。リアルタイムでは、開始と終了の間に非常に大きな差が生じる可能性があります。私はまた、崩壊段階が膨張段階の時間反転であるように見える宇宙の単純なモデルで行った研究にも惑わされました。しかし、私の同僚であるペンシルバニア州立大学の D.ペイジは、境界条件がなくても、収縮期が膨張期の時間反転でなければならないことを必要としないことを指摘しました。私の生徒の一人、レイモンド。Laflemont はさらに、もう少し複雑なモデルでは、宇宙の崩壊と膨張の仕方が大きく異なることを発見しました。私は間違いを犯したことに気付きました.境界条件がないということは、実際には収縮期に障害が増加し続けたことを意味していました.時間の熱力学的および心理的な矢は、宇宙が収縮し始めたとき、またはブラック ホールの中で反転しません。
このような間違いを犯していることに気付いたとき、あなたはどうしますか？一部の人々は、自分が間違っていたことを決して認めませんが、エディントンがブラックホール理論に反対したときに行ったように、自分自身を正当化するための新しい、しばしば矛盾する議論を見つけ続けます.他の人々は、誤った見解が実際には支持されていないと宣言した最初の人であり、仮に支持したとしても、それは不調和であることを示すためだけでした.私の意見では、出版物で自分が間違っていたことを認めた方がはるかに良く、混乱も少なくなります。良い例はアインシュタインで、宇宙の静的モデルを構築しようとして宇宙定数を導入しました。彼はこれを人生最大の過ちと呼んでいます。
時間の矢に戻ると、残っている問題は、熱力学の矢と宇宙論の矢が同じ方向を指していることをなぜ観察できるのかということです。言い換えれば、無秩序の増加の時間方向が、宇宙の膨張の時間方向と正確に一致するのはなぜですか?無境界仮説が暗示しているように、宇宙が膨張してから再収縮すると信じるなら、なぜ私たちが収縮期ではなく膨張期にいるべきなのかという疑問が生じます。
この質問には、弱い人間原理に基づいて答えることができます。収縮段階の条件は知的存在の存在に適しておらず、無秩序の増加の時間方向が宇宙の膨張の時間方向と同じである理由を尋ねることができるのは彼らです.無境界仮説によって予測された宇宙の初期のインフレーションは、宇宙が崩壊を避けるために必要な臨界率に非常に近い膨張をしなければならないことを意味します。その時までに、すべての星は燃え尽きてしまい、その中の陽子と中性子は光の粒子と放射線に崩壊する可能性があります。宇宙はほぼ完全に無秩序な状態になり、強力な熱力学的な時間の矢はなくなります。宇宙はすでにほぼ完全に無秩序な状態にあるので、無秩序の程度はそれほど大きくなりません。しかし、知的生命体の行動には強い熱力学的矢が必要です。人間が生き残るためには、秩序だったエネルギーである食物を消費し、それをエネルギーの無秩序な形である熱に変換しなければならないため、知的生命体は宇宙の収縮期には存在できません。これは、熱力学と宇宙論における時間の矢印が同じ方向を指している理由を説明しています。無秩序の増加を引き起こすのは宇宙の膨張ではなく、無秩序の増加を引き起こす無境界条件であり、膨張期のみが知的生命体に適した条件です。
結論として、科学の法則は時間の順方向と逆方向を区別しません。しかし、過去と未来を分ける少なくとも 3 つの時間の矢があります。それらは、無秩序が増加する時間の方向である熱力学の矢、私たちが未来ではなく過去を思い出す時間の方向である心理的な矢、宇宙の方向である宇宙の矢です。縮小するのではなく拡大します。私は、心理的な矢は本質的に熱力学的な矢と同じであるべきだと指摘しました。宇宙の無境界仮説は、明確に定義された熱力学的な時間の矢を予測します。これは、宇宙が滑らかで秩序立った状態で始まったに違いないためです。そして、熱力学の矢と宇宙論の矢が一致するのは、知的生命体が膨張期にしか存在できないからです。そこには強い熱力学的な時間の矢がないので、収縮段階はその存在には適していません。
宇宙を理解する上での人類の進歩は、増大する無秩序の宇宙に秩序の小さな隅を確立することです.この本のすべての単語を暗記した場合、記憶には約 200 万単位の情報が記録され、頭の中での順序が約 200 万単位増加したことになります。しかし、この本を読むと、食物の形で少なくとも千カロリーの秩序化されたエネルギーが、対流と汗によって周囲の空気に放出される熱の形で無秩序なエネルギーに変換されます.これにより、宇宙の無秩序度が約20億単位増加します。あなたの頭の中の秩序。次の章では、私たちの心にもう少し秩序を与えようとして、宇宙のすべてに適用される完全な統一理論を形成するために、私が説明した理論の部分をどのように組み合わせることができるかを説明します.