Möglichst einfaches Gedankenexperiment, das den Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft verdeutlicht?

Ich schlage eine pragmatische Interpretation der Frage vor: Gestalten Sie ein Experiment E so, dass ein Diskriminator D (z. B. eine Einzelperson oder ein Team von Wissenschaftlern) feststellen kann, ob eine Aufzeichnung R von E vorwärts oder rückwärts abgespielt wird. Je schwieriger es ist , D zu täuschen , desto "besser" ist E für unsere Zwecke. Vielleicht könnte man das informationstheoretisch genauer formulieren.

Es gibt viele Beispiele, die für E verwendet werden können . Ein klassisches Beispiel kommt aus der Thermodynamik: Bringen Sie zwei Körper in Kontakt, und Wärme fließt spontan vom wärmeren zum kälteren Objekt, nicht umgekehrt. Wenn Sie beobachten, wie Wärme zum wärmeren Objekt fließt, können Sie als Diskriminator ziemlich sicher sein, dass Sie eine Rückwärtsaufzeichnung sehen.

Ein noch extremeres Beispiel dafür ist das Öffnen eines Behälters voller Farbgas. Wenn Sie sehen, wie sich das Gas ausdehnt und auflöst, können Sie ziemlich sicher sein, dass die Aufnahme vorwärts abgespielt wird. Wenn Sie sehen, dass es das Gegenteil tut, in der Lautstärke schrumpft und in den Container hineingeht, können Sie ziemlich sicher sein, dass die Aufnahme rückwärts abgespielt wird. Es wäre äußerst schwierig – so etwas wie eine „große Verschwörung“ –, Anfangsbedingungen so einzurichten, dass das Gas so etwas unter gewöhnlicher Zeitentwicklung tun würde. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im SEP-Artikel über Thermodynamische Asymmetrie in der Zeit .

Es gibt elektromagnetische und gravitative Analoga zu den oben genannten in Bezug auf einfallende/austretende elektromagnetische oder Gravitationsstrahlung, wobei letztere ins Unendliche entweicht. Entlang dieser Linien können Verbindungen zu einigen astrophysikalischen/kosmologischen Konzepten wie der Vaidya-Metrik und weißen Löchern hergestellt werden . Tangential verwandt: Diese Antwort auf die Frage „Wie beweist du, dass du aus der Zukunft stammst?“.

Es gibt auch eine mögliche Verbindung zwischen der Quantenverschränkung und dem Zeitpfeil , wobei die Idee ist, dass erstere (zunehmende Verschränkung) letztere erklären könnte.

Mit einem obskuren Ansatz der Quantenmechanik, der Informationseinheiten als Grundbausteine ​​behandelte, verbrachte Lloyd mehrere Jahre damit, die Evolution von Teilchen in Bezug auf das Mischen von Einsen und Nullen zu untersuchen. Er fand heraus, dass sich die Informationen, die sie ursprünglich beschrieben hatten (zum Beispiel eine „1“ für Drehung im Uhrzeigersinn und eine „0“ für gegen den Uhrzeigersinn), mit zunehmender Verschränkung der Teilchen verschob, um das System der verschränkten Teilchen als Ganzes zu beschreiben . Es war, als würden die Teilchen allmählich ihre individuelle Autonomie verlieren und zu Spielballen des kollektiven Staates werden. Schließlich enthielten die Korrelationen alle Informationen und die einzelnen Partikel enthielten keine. An diesem Punkt, entdeckte Lloyd, erreichten die Partikel einen Gleichgewichtszustand, und ihre Zustände änderten sich nicht mehr, wie Kaffee, der auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

Laut den Wissenschaftlern kann unsere Fähigkeit, uns an die Vergangenheit, aber nicht an die Zukunft zu erinnern, eine weitere historisch verwirrende Manifestation des Zeitpfeils, auch als Aufbau von Korrelationen zwischen interagierenden Teilchen verstanden werden. Wenn Sie eine Nachricht auf einem Blatt Papier lesen, wird Ihr Gehirn durch die Photonen, die Ihre Augen erreichen, damit korreliert. Erst ab diesem Moment können Sie sich an den Inhalt der Nachricht erinnern. Wie Lloyd es ausdrückte: „Die Gegenwart kann durch den Prozess der Korrelation mit unserer Umgebung definiert werden.“

Vielleicht erfüllen die oben genannten Arten von einfachen Systemen Ihre Kriterien.

Siehe auch Beziehung zwischen den psychologischen und thermodynamischen Pfeilen der Zeit (2014) von Leonard Mlodinow und Todd A. Brun:

In diesem Papier legen wir ein Argument dar, dass allgemein der psychologische Zeitpfeil mit dem thermodynamischen Zeitpfeil ausgerichtet sein sollte, wenn dieser Pfeil gut definiert ist.Dieses Argument gilt für jedes physische System, das als Speicher fungieren kann, im Sinne der Aufbewahrung einer Aufzeichnung des Zustands eines anderen Systems. Dieses Ergebnis folgt aus zwei Prinzipien: der Robustheit des thermodynamischen Zeitpfeils gegenüber kleinen Störungen im Zustand und dem Prinzip, dass ein Speicher nicht fein abgestimmt werden muss, um ihn an den Zustand des aufzuzeichnenden Systems anzupassen. Dieses Argument gilt auch dann, wenn das Speichersystem selbst vollständig reversibel und nicht dissipativ ist. Wir argumentieren mit einem paradigmatischen System und formulieren es dann breiter für jedes System, das als Gedächtnis betrachtet werden kann. Wir veranschaulichen diese Prinzipien für einige andere Beispielsysteme und vergleichen unsere Kriterien mit früheren Behandlungen dieses Problems.

Es gibt auch Artikel darüber hier (Abschnitt Memory Systems) und hier .

Es bedarf keiner komplizierten Mathematik oder Physik, um die gestellte Frage grundsätzlich zu beantworten.
Es ist kein Gedankenexperiment erforderlich. Die Gegenwart gibt Informationen über die Vergangenheit und die Gegenwart auf eine völlig andere Weise, als diese Informationen über die Zukunft sprechen. Obwohl die Zukunft durch zahlreiche Methoden vorhergesagt werden kann, macht das fehlende Stück der Vorhersage die Unterscheidung zwischen Vergangenheit und Zukunft offensichtlich. Ereignisse in den Weiten des Universums, von denen wir nichts wissen, können die vorhergesagte Zukunft auf eine Weise überschneiden, die die zukünftige Vorhersage verändern und Zustände erzeugen würde, die sonst nicht in die Vorhersage auf der Grundlage vergangener oder gegenwärtiger Bedingungen einbezogen werden könnten. Vergangene Ereignisse können bekannt sein, während zukünftige Ereignisse nur vorhergesagt werden können. Der Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft basiert vollständig auf diesen Informationen, die nicht bekannt sein können, bis sie in der Gegenwart aufgetreten sind.

Ich behaupte, dass der grundlegende Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft nicht darin besteht, dass man sich an die Vergangenheit erinnert, sondern dass man die Vergangenheit vergisst.

Auf der Makroskala, in den Beispielen anderer, die "den Film rückwärts abspielen", was normalerweise die Tatsache verrät, dass er rückwärts abgespielt wird, ist, dass das System in der Vergangenheit heterogenere Details aufweist. Diffusion ist das Paradebeispiel: Die Diffusions/Wärme-Gleichung zeigt an, dass in Vorwärtsrichtung die Krümmung (zweite räumliche Ableitung) geglättet wird, d. h. räumliche Schwankungen der Temperatur oder Dichte über die Zeit verringert werden. Wenn Sie die Zeit umkehren, wird in die Gleichung ein Minuszeichen eingeführt, das besagt, dass die Fluktuationen (räumliche Inhomogenitäten) zunehmen werden. Aber diese Gleichung regelt Makrozustandsvariablen, die bereits lokale Mittelwerte sind, also besteht das Paradoxon darin, warum eine solche Asymmetrie für diese Makrovariablen existiert, wenn die zugrunde liegende mikroskopische Dynamik zeitumkehrbar ist.

Das deutet auf einen Weg hin, Gedankenexperimente im Mikromaßstab anzugehen, in der Art und Weise, nach der Sie, glaube ich, gefragt haben. Was Sie wollen, ist ein Szenario, in dem ein System in einem bestimmten Zustand beginnt und die Zeit sich vorwärts bewegen kann. Dann, nach einiger Zeit, kehrt sich die Geschwindigkeit jedes Teilchens augenblicklich um und das System entwickelt sich weiter. Bei symmetrischer Zeit würde das System in seinen Ausgangszustand zurückkehren. Der Zeitpfeil würde von jedem System angezeigt, das nicht unter Geschwindigkeitsumkehr (und Umkehrung von irgendetwas anderem, das linear von der Zeit abhängt) in seinen Anfangszustand zurückkehren würde. Entsprechend gäbe es eine Möglichkeit zu sagen, dass die Geschwindigkeiten umgekehrt wurden, anstatt die Laufzeit rückwärts zu haben. Ich gebe zwei Beispiele:

1. Zwei Elektronen nähern sich einander an, kollidieren und entfernen sich wieder. Bei einer solchen Kollision werden die Elektronen beschleunigt und geben dabei Strahlung ab. Wenn Sie nach der Kollision die Geschwindigkeiten umkehren, würde die Kollision selbst umgekehrt ablaufen, aber es würde zusätzliche Strahlung emittiert werden, während, wenn Sie den Film rückwärts abspielen würden, Strahlung aus der Unendlichkeit einfallen und von den Elektronen absorbiert würde.

2. Stellen Sie sich einen Maxwell-Dämon vor, der es Gaspartikeln ermöglicht, von einer linken Kammer in eine rechte Kammer zu gelangen, während Partikel, die von rechts auf das Tor treffen, zurück in die rechte Kammer reflektiert werden. (Wirklich, es muss kein Dämon sein, nur ein Einwegventil reicht aus, aber ein Einwegventil im mikroskopischen Maßstab herzustellen, ist selbst nicht trivial.) Lassen Sie den Dämon eine Zeit lang arbeiten, und kehren Sie dann um Geschwindigkeiten aller Partikel, und die Partikel, die ursprünglich von der linken Kammer in die rechte passiert haben, können nicht in die linke Kammer zurückkehren, wie dies der Fall wäre, wenn Sie den Film rückwärts abspielen würden. Wenn Sie auch verlangen, dass der Dämon umgekehrt wird, wenn die Geschwindigkeiten umgekehrt werden, sodass Partikel von rechts nach links statt von links nach rechts zugelassen werden, kehren Sie immer noch nicht in den ursprünglichen Zustand zurück. weil Partikel von rechts, die ursprünglich vom Durchgang ausgeschlossen waren, nun zugelassen werden. Sie werden nicht nur die Partikel wiederherstellen, die ursprünglich von links nach rechts in die linke Kammer gelangt sind, sondern Sie werden auch einige andere Partikel aus der rechten Kammer in die linke zulassen, die ursprünglich nicht dort waren.

Kann ich mich an ein Ereignis in der Zukunft erinnern? Ja, wenn ich in der Zeit zurückreisen kann. Oder mache einfach eine zeitgestempelte Aufzeichnung des zukünftigen Ereignisses, die ich zeitlich zurücksende und dann in der Vergangenheit lese/anschaue. Da es nichts in der Physik gibt, was Rückwärts-Zeitreisen absolut verbietet (obwohl es sehr schwierig und energetisch aufwendig zu sein scheint), kann es kein einfaches Gedankenexperiment geben, das beweist, dass man sich nur an die Vergangenheit erinnern kann.

In einem Blockuniversum ist die Raumzeit analog zu einem 2D-Teppich mit vorhersagbaren Mustern. Das Muster an der gegenwärtigen Position sagt Ihnen perfekt das Muster in jeder Richtung um Sie herum (Vergangenheit und Zukunft). Die Gesetze der Physik sind vollständig deterministisch, also können wir diese Analogie anstellen. Sie können anhand der physikalischen Gesetze mit Wahrscheinlichkeiten berechnen, wie das Muster in jeder Richtung aussieht, einschließlich der zukünftigen Richtung. Und Sie können sich an Muster erinnern, die Sie bereits gesehen haben. Also „warum ist es trivial, ein paar Informationen über ein vergangenes Ereignis zu speichern, aber nicht über ein zukünftiges Ereignis“, wie Sie gefragt haben? Nun, Sie haben mit einem lokalen Bereich der Raumzeit interagiert oder sich mit ihm verstrickt. Und in dieser Interaktion war ein Teil dessen, was passierte, ein biophysikalischer Prozess, bei dem Erinnerungen in Ihrem Gehirn gebildet wurden. Du bildest keine Erinnerungen an die Zukunft, oder entfernte Teile des Teppichs, an denen Sie noch nicht waren, weil Sie noch nicht mit ihnen interagiert, sich mit ihnen verstrickt oder ihnen nahe gekommen sind. Sie können über die Gleichungen der Physik berechnen, was zukünftige Muster sein werden, aber das bedeutet nicht, sich an sie zu "erinnern". Dies unterstreicht die Bedeutung der Lokalität von Wechselwirkungen. Dinge interagieren, wenn sie in der Raumzeit nahe sind.

Es gibt noch viel mehr zu sagen (warum nehmen wir einen Zeitfluss in einem Blockuniversum wahr, die Pfeile der Zeit / des zweiten Gesetzes), aber ich frage mich, ob irgendetwas davon erforderlich ist, um Ihre ursprüngliche Frage offen zu beantworten

Unser Bewusstsein richtet sich nur auf einen der beiden entropischen Zeitpfeile aus. Oder zumindest denken wir das. Vielleicht ist der Prozess perfekt symmetrisch und es gibt ein anderes Bewusstsein, das die Zeit in der entgegengesetzten Richtung vorwärts sieht. Sie können die Welt umgekehrt verstehen, genauso wie wir die Welt direkt verstehen können. Direkt bedeutet nur Richtung, in der die Entropie zunimmt. In ihrer Welt nimmt die Entropie immer oder meistens ab.

Das einfachste mögliche Gedankenexperiment ist das, was Sie bereits gegeben haben. Ich glaube, ich kann mich an die Vergangenheit erinnern, aber ich glaube nicht, dass ich mich an die Zukunft erinnern kann.

Aber Sie fragen etwas anderes, wofür die Physik keine Erklärung hat. Die bekannten Gesetze der Physik sind zeitumkehrbar. Sogar Entropie ist technisch zeitumkehrbar. Bei einem statistischen Zustand niedriger Entropie zu einem bestimmten Zeitpunkt und ohne Einmischung von außen würde die Entropie sowohl vorwärts als auch rückwärts in der Zeit zunehmen! Wir tun dies einfach als absurd ab und nehmen andass ein Zustand niedriger Entropie nur als Anfangszustand entstehen kann, der durch äußere Eingriffe geschaffen wird. Soweit wir wissen, ist dies eine sehr gute Annahme. Allerdings hat es mehr mit gesundem Menschenverstand zu tun als mit den Grundgesetzen der Physik. Schließlich stellen wir in jedem Physikexperiment die Anfangsbedingung eines Systems durch Einwirkung von außen ein. Sie fragen wirklich nach einem Experiment, das das nicht tut. Ein solches Experiment ist der Physik unbekannt.

Ich habe mir ein Gedankenexperiment ausgedacht, das auf dem Modell eines sich ausdehnenden und zusammenziehenden Universums basiert. In einem solchen Universum ist der anfängliche Urknall-Zustand identisch mit dem endgültigen Big-Crunch-Zustand. Beide sind identische Singularitäten, also muss die Entropie in beiden Zuständen identisch sein. In diesem Fall würde man meinen, dass das Entropiegesetz im kollabierenden Universum aus dem Big Crunch bestimmt werden muss, in diesem Fall würde es sich im kollabierenden Universum umkehren. Dann könnte eine Zivilisation im zusammenbrechenden Universum die Zeit nach unserer Vorstellung von Zukunft und Vergangenheit rückwärts erfahren. Eine solche Zivilisation könnte ein Artefakt auf einem toten Planeten hinterlassen, und irgendwann in der Zukunft könnten wir zu diesem Planeten gehen und es finden. Dann könnten wir es zerstören, was bedeutet, dass die zukünftige Zivilisation es niemals hätte verlassen können.

Soweit ich sehen kann, zeigt die Existenz eines solchen Paradoxons in einem Universum, das den bekannten Gesetzen der Physik gehorcht (auch wenn es nicht unser Universum ist), nur eines. Dass wir die grundlegende Ursache für den Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft nicht kennen.

Ich persönlich habe das Gefühl, dass die Antwort in Gibbs 'Ableitung des kanonischen Ensembles begraben ist. Sie können damit im mikroskopischen Maßstab beginnen und sich mit einer Vielzahl harter Newtonscher Teilchen befassen.

An diesem Punkt in der Mathematik ist also alles vollständig zeitumkehrbar:

Wenn Sie akzeptieren, dass die Wellenform nicht real ist und das Wissen des Beobachters über das System darstellt, dann hebt jede QM-Messung den Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft hervor. Das eigentliche Rätsel ist vielleicht, warum sich Systeme bei der Transformation t → -t so verhalten, wie sie es tun .

Eine weitere Beobachtung betrifft Markov-Ketten. Wenn ich den Prozess rückwärts statt vorwärts laufen lasse, ändern sich die Bezeichnungen. Aber das scheint daran zu liegen, dass wir die Pfeile mit bedingten Wahrscheinlichkeiten beschriften. Wenn wir die Pfeile mit absoluten Wahrscheinlichkeiten beschriften würden, würden die Beschriftungen unverändert bleiben, wenn wir die Zeit umkehren. Das ist also nur eine Kuriosität.

Es gibt keine absolute Wahrscheinlichkeit, Wahrscheinlichkeiten sind immer abhängig von dem, was wir zu diesem Zeitpunkt wissen. Wenn wir die Zukunft kennen könnten, hätten alle zukünftigen Ereignisse eine Wahrscheinlichkeit von 0 oder 1, genau wie die in der Vergangenheit – es gäbe keine Markov-Prozesse, alles wäre deterministisch. Sie sprechen also tatsächlich einen wichtigen Punkt an: Wahrscheinlichkeiten wären unsinnig, wenn der Zeitpfeil umkehrbar wäre.

Wenn „Zeit“ mit „Wissen“ verknüpft ist, dann ist sie mit „uns“, dem Beobachter, verknüpft . Nehmen wir also die anthropozentrische Sichtweise, dass jedes Mal, wenn wir etwas Neues lernen, wie wenn wir eine neue Messung oder Beobachtung machen, die Uhr tickt. Wenn wir nie verlernen, bewegt sich der Zähler immer vorwärts. Wenn wir in der Lage wären, das Lernen zu verlernen, indem wir die Erinnerung an ein gelerntes Ereignis löschen, würde der Zähler zurückgehen – aber wir würden nie wissen, dass wir in der Zeit zurückgereist sind. Wenn wir es wieder lernen, wird das ungelernte Ereignis genauso neu und aufregend aussehen wie beim ersten Mal.