¿Existe realmente la reversibilidad del tiempo en la física? [cerrado]

Primero, cómo llegué a la pregunta. Estaba mirando esta página al azar: http://en.wikipedia.org/wiki/Langton%27s_ant

describiendo una especie de autómata celular.

Aquí está la ruta de este autómata después de más de 10000 pasos:

Trayectoria de la hormiga de Langton

Puede ver claramente que, después de un tiempo, la hormiga se atasca en el circuito (en realidad es una autopista) y continuará para siempre.

Aquí viene el problema con muchas caras:

Si retrocedemos en el tiempo y comenzamos ant desde uno de los puntos del bucle (carretera), nunca llegaremos a la parte desordenada original, por lo que obviamente este cálculo no es reversible en el tiempo ya que no hay forma de salir del bucle. :) (¡Pero debería haberlo! :D)

Otra cosa es que la información tampoco es reversible en el tiempo, ya que si en algún momento de la operación de cálculo se usa DELETE para borrar todos los datos anteriores, no hay forma de recuperar esos datos.

De acuerdo. Hasta ahora, todo bien. Llevemos esta pregunta un paso más allá. ¿Cómo es eso? Siempre nos dijeron que las leyes de la física son reversibles en el tiempo, etc.

Mi respuesta intuitiva es la siguiente. Podemos decir que en el universo existen las llamadas LEYES (física, etc.) y OPERACIONES. ¿Cuál es la diferencia?

Las LEYES no cambian los objetos sobre los que están operando y, por lo tanto, probablemente sean reversibles en el tiempo.

Las OPERACIONES, por otro lado, pueden cambiar objetos, su número en el sistema y, por lo tanto, no son reversibles en el tiempo (si elimino algunos archivos, no hay un algoritmo para restaurarlos nuevamente)

Entiendo que está muy cerca de la idea y la interpretación de la información.

Entonces, cuando nos muestran una película al revés y pensamos que el tiempo se invirtió, ¡es realmente falso! Sí, puede invertir el movimiento de las personas y los objetos, pero no puede invertir el habla, por ejemplo, ya que no existe una conexión lógica entre las frases que se dicen. Aquí podemos ver cómo el contenido de la película (la vida) es en realidad doble: una parte reversible en el tiempo (geometría en el sentido más pobre) y una parte informativa (habla, cálculos, etc.).

Desde todo lo anterior, parece que el universo en general NO es reversible en el tiempo, ¡y no hay forma de retroceder en el tiempo! :) ¿O hay?

¿Ha leído la sección sobre Orden emergente en el artículo de Wikipedia al que se vincula? Dice que " la trayectoria de la hormiga siempre es ilimitada, independientemente de la configuración inicial ", lo que en particular implica que la hormiga no queda atrapada en un bucle. (Puede que no vaya a ninguna parte de manera muy eficiente, pero eventualmente escapará de cualquier región delimitada en la que lo coloque). Además: ¿qué está clasificando exactamente como una 'operación'? ¿Dos partículas que interactúan serían una operación? Pero solo interactúan debido a las leyes físicas.
Por cierto, no es difícil demostrar que un solo paso computacional del autómata de la hormiga de Langton es reversible. Esta es otra forma de ver que no puede quedar atrapado en un bucle.
Si ignoramos las violaciones de CP, ¿está preguntando esencialmente sobre la paradoja de Loschmidt ?
@ Niel de Beaudrap: Sí, leí que no está vinculado, pero la pregunta es sobre el seguimiento: una vez que se atascó en esta línea, no hay forma de que vuelva a ser "caótico" nuevamente. Y nunca volverá a alcanzar la situación inicial que se muestra en la imagen, INCLUSO si invertimos el tiempo.
@ Niel de Beaudrap No, la interacción de 2 partículas no funcionará. La operación es cuando haces un dibujo en la arena, es un acto físico pero creo que no es reversible.
@ Qmechanic, sí, creo que estas 2 preguntas están cerca, por otro lado, aquí se cuestiona la reversibilidad desde una perspectiva diferente.
Cuando hago un dibujo en la arena, eso es el resultado de la interacción de muchas partículas del lápiz óptico que uso para dibujar, con los muchos granos de arena. La irreversibilidad proviene de las estadísticas de las interacciones de muchas partículas. Por lo tanto, su noción de operación se reduce en última instancia a la Segunda Ley de la Termodinámica, que (cuando se deriva de la mecánica estadística) es una ley de carácter puramente probabilístico: es abrumadoramente probable que la entropía aumente con el tiempo . Pero esto no se debe a la irreversibilidad, sino a la geometría de alta dimensión del espacio de configuración.
En cuanto a la hormiga: sí , llegará a la configuración inicial si invertimos el tiempo. Eso es lo que significa "reversible", y se puede demostrar que las leyes del autómata son reversibles. De manera similar, si coloca la hormiga en un espacio acotado (en lugar de un plano infinito), eventualmente alcanzará la configuración inicial del plano en blanco, porque solo hay un número finito de configuraciones que la CA puede tomar (por lo que vuelve a visitar alguna configuración), y por la reversibilidad sólo puede volver a visitar una configuración si viene por ella del mismo modo; así que para repetir, eventualmente debe dejar en blanco la pizarra.
Finalmente, para enviar un mensaje a alguien, no debe poner un espacio entre la @ y el nombre. Por ejemplo, me notificaría escribiendo a @NieldeBeaudrap.
@Qmechanic La colaboración de BarBar ha informado recientemente sobre la primera observación de una violación explícita de la simetría T , por lo que ya no es necesario asumir CPT y señalar una violación de CP. A menos que quieras, por supuesto.

Respuestas (3)

Las leyes microscópicas de la física son reversibles o, por decir lo menos, simétricas a la CPT (los procesos son invariantes si se ejecutan hacia atrás en el tiempo, en espejo y con antipartículas). La simetría CPT se deriva de la simetría de Lorentz.

La hormiga de Langton, así como casi cualquier otra máquina de Turing o autómata celular, no es microscópicamente reversible; esa es solo una de las muchas razones por las que la hormiga de Langton (o cualquier máquina de Turing o autómata celular de la misma clase) no puede ser una ley física válida. Es sólo una pieza de matemáticas recreativas. O un modelo en ciencias de la computación, si encuentra insultantes las matemáticas recreativas; es lo mismo, de todos modos.

Los principios físicos como la reversibilidad microscópica o la simetría CPT no son curiosidades ni recetas para reclamar una "paradoja" cada vez que un sistema de reglas los viola. En cambio, los principios físicos están destinados a falsificar y eliminar las reglas propuestas que no los satisfacen. Entonces, la hormiga de Langton tuvo que ser eliminada de inmediato como una propuesta de física.

Por cierto, mientras que las leyes microscópicas de la física tienen que respetar la simetría, las leyes emergentes que se ocupan de la información incompleta o, de manera equivalente, los conjuntos de microestados son irreversibles de todos modos. Esto se debe a que las leyes de la lógica matemática son asimétricas con inversión del tiempo. Por definición, el futuro es una consecuencia del pasado y la implicación A ⇒ B no es A - B -simétrico. Esta flecha lógica básica del tiempo es la asimetría primaria que implica todas las flechas del tiempo termodinámicas y relacionadas.

Repito: la hormiga de Langton es de hecho reversible, y otras afirmaciones que hace el OP al respecto también son incorrectas; no es que esto afecte el contenido físico de su respuesta.
Ah, disculpas y gracias. Espero que otros se den cuenta de su corrección. Correcto, la esencia de la pregunta sería "si tuviera una máquina de Turing que sea irreversible", y eso es lo que estaba respondiendo. Debe ser solo una hormiga diferente que debe apretarse entre los dedos. ;-) Bueno, la hormiga de Langton aún puede descartarse como un modelo válido de física, pero no solo por la condición de reversibilidad con la que está de acuerdo.
@Niel de Beaudrap ¿Cómo es exactamente reversible? Si esta línea es infinita? De todos modos, puedo poner otro ejemplo de un programa que se atasca en el bucle infinito. La afirmación principal aquí es que el universo computacional NO es reversible en el tiempo. Y si el Sr. Motl puede sentarse en su escritorio y calcular algo, eso significa que estamos viviendo en un universo computacional en un sentido amplio de esta palabra.
@Luboš Motl Nuestra pregunta es: ¿NUESTRO tiempo universal es reversible o no, incluidos los humanos y el hecho de que PONEN nueva información?
@Niel de Beaudrap No soy un experto en este campo, pero Wolfram Mathwordl afirma que la reversibilidad de la hormiga Langton aún no se ha probado formalmente. Mira aquí: enlace
@AsphirDom: si tienes una sola hormiga, no es difícil de mostrar. El estado de cualquier cuadrícula en la celda está dado por algún par ( C , d ) que consiste en un color C ∈ { B , W } para el azulejo, y una dirección d ∈ { 0 , norte , S , mi , W } las caras de hormiga (con 0 no habiendo hormiga presente). Cada paso de tiempo es una composición de tres transformaciones: una rotación de la hormiga en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj según el color de la ficha (que es reversible), un giro del color de la ficha (que es reversible) y el avance de la hormiga 1 ( que es reversible). La composición de estos también es reversible.
@AsphirDom: la cita en su enlace dice: "Se cree que no importa en qué patrón inicial comience la hormiga, eventualmente construirá una carretera (aunque en principio podría llevar mucho tiempo llegar a este punto). Esto parecería seguirse naturalmente del hecho de que la hormiga de Langton es reversible , aunque [la creencia de que forma una carretera] permanece formalmente sin probar (Beermann y Van Foeken)". [El énfasis y los comentarios entre corchetes son míos.] Es decir, el sitio dice que la CA es reversible, pero que esto no es suficiente para mostrar que siempre construirá una carretera.
@LubošMotl, ¿hay alguna explicación más detallada de las ideas de su último párrafo? Solo para obtener la esencia, no me refiero a lo técnico, de todos modos si algo es tan fundamental tiene que ser muy simple.
Estimado @Niel, su descripción de la operación deja bastante claro, si la descripción es real, que es reversible. Creo que el mundo de las matemáticas solo se refiere a la ausencia de un papel. Pero si leyes igualmente simples son o no reversibles es una pregunta trivial que puede responderse sin ambigüedades en un minuto. Yrogirg: Creo que esas cosas deben explicarse en cursos suficientemente buenos de termodinámica y física estadística, aunque es justo decir que muchos de ellos no son tan buenos.
Consulte, por ejemplo, la conferencia Messenger de Feynman sobre la diferencia entre el pasado y el futuro. Se está enfocando en la termodinámica y el calor, pero se deriva que la entropía no disminuye, más o menos, y las suposiciones lógicas son obvias y la asimetría de inversión de tiempo del pensamiento mismo está profundamente incorporada en su pensamiento si miras con cuidado. es fundamental La "paradoja de Loschmidt" es un modo de pensamiento defectuoso exagerado cuya incorrección niega la suposición errónea de que la simetría microscópica T/CPT es suficiente para que las leyes emergentes efectivas también sean T-simétricas. No es suficiente.
¿La simetría CPT implica un comportamiento reversible solo en un espacio-tiempo plano o la relatividad general proporciona irreversibilidad?
"O un modelo en ciencias de la computación, si encuentras insultantes las matemáticas recreativas; es lo mismo, de todos modos". Si encontrara algo insultante, ¡sería su corrección! :)

Esta es una pregunta realmente interesante, pero en última instancia creo que se deriva de la búsqueda de una noción demasiado general/abstracta de lo que realmente significa "reversibilidad del tiempo".

Decir que la física es reversible en el tiempo es, en muchos ejemplos, equivalente a afirmar que la energía se conserva. Las leyes de la física funcionan igual hacia adelante y hacia atrás. O, en otras palabras:

Cualquier fenómeno físico teóricamente podría ocurrir a la inversa dadas las circunstancias adecuadas, sin importar cuán improbables sean esas circunstancias.

Admito que esto es un poco confuso. Aquí hay un ejemplo que me dio un profesor que encontré muy útil:

Suponga que deja caer una piedra al suelo desde una distancia razonable (digamos un metro). La roca no rebota, simplemente golpea el suelo y se detiene.

Ahora, supongamos que ha filmado lo que sucede y le muestra el video a dos personas diferentes: la persona A y la persona B. A la persona A se le muestra el video tal como sucedió, ya la persona B se le muestra el video al revés.

La persona A ve caer una roca al suelo y se detiene. La persona B ve una roca, inicialmente inmóvil en el suelo, que de repente salta un metro en el aire. La persona B concluye correctamente que "este video debe reproducirse al revés".

Aquí es donde es natural decir: "Claramente, la reversibilidad del tiempo es una idea tonta. Si podemos decir fácilmente que un video se estaba reproduciendo al revés, entonces las leyes de la física no deben ser reversibles en el tiempo". Pero esto depende de una noción elemental e incompleta de lo que queremos decir cuando decimos "reversibilidad temporal".

Aquí está la trampa. No hay nada en las leyes de la física que impida que la roca actúe de la forma en que lo hace en el video de tiempo invertido. Cuando la roca golpeó el suelo y se detuvo, toda su energía cinética se transformó en calor, excitando los átomos de la roca, el suelo y el aire a su alrededor. Toda la energía todavía existe. Es teóricamente posible , aunque improbable, que todos esos átomos excitados choquen repentinamente con la roca de tal manera que la envíen volando de regreso a su altura inicial.

Este escenario es muy, muy, MUY improbable. Sin embargo, no es físicamente imposible. Puede suceder , porque la energía de la roca se conservó y teóricamente puede devolverse a la roca.

La persona B, al afirmar que el video está invertido en el tiempo, está haciendo un argumento termodinámico estadístico. No están diciendo "es imposible que una roca salte repentinamente del suelo". Están diciendo: "Para que una roca salte del suelo de esa manera, necesitaríamos que todos los átomos del suelo la golpearan repentinamente de una manera muy precisa. Esto es muy poco probable, mientras que una roca que cae al suelo es un proceso mucho más simple y estadísticamente más probable. Por lo tanto, es abrumadoramente probable que el video que estoy viendo esté invertido".

El problema de la medición en QM. Hacer una medición y obtener un resultado definitivo no es reversible en el tiempo.

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