Учёные, изучающие многовековую загадку физики, предполагают, что эволюцией квантовых систем управляют две «стрелы времени»
Если чашку с водой пролить на пол, вода не может сама вернуться обратно — то есть, невозможно представить, чтобы каждая молекула воды в точности нужным образом изменила свою траекторию и проскользнула обратно в чашку. Для этого пришлось бы повернуть время вспять, чего, насколько нам известно, сделать невозможно. Вода либо прольётся, либо нет, но если прольётся, то так и останется.
Таким образом, время, как мы его ощущаем, асимметрично. У нас есть воспоминания о прошлом, а не о будущем, и пролитая вода не стекает обратно в чашку, так же как выпущенная стрела не возвращается в лук. В нашей повседневной жизни «стрела времени» летит только в одном направлении — вперёд.
«Мы знаем, что это часть нашего обычного опыта», — говорит Андреа Рокко, физик-теоретик из Университета Суррея в Англии. Но как именно возникает стрела времени, физикам не совсем ясно — отчасти потому, что математика, которую они используют для описания большей части мира, не делает различий между временем, которое движется вперёд, и временем, которое движется назад; любое направление вполне жизнеспособно, если верить их уравнениям.
Кроме того, понятие «время» становится несколько иллюзорным в отсутствие изменений. Например, если бы наша чашка с водой находилась в волшебной, идеально изолированной и физически непроницаемой коробке, плавающей в глубоком космосе, эта «система» выглядела бы одинаково, независимо от того, рассматривали бы её пять лет назад или через пять тысячелетий. Так в какую сторону летит стрела времени внутри волшебного закупоренного ящика? Для таких изолированных систем время считается симметричным; только когда оно «открыто» для влияния внешней среды, эта симметрия нарушается, будь то испарение воды или опрокидывание чашки, в результате чего её содержимое проливается.
И все же открытые и изолированные системы по своей сути связаны между собой. Даже если бы наша чашка с водой была изолирована от внешнего мира, её молекулы всё равно подвергались бы случайным микроскопическим воздействиям — изменениям, которые потенциально могут нарушить симметрию времени, как, например, тиканье космических часов. Так почему же существует это расхождение и что оно означает для обоснованности моделей, которые физики используют для изучения роли времени в реальности, которую мы ощущаем?
Разные исследователи решали эти вопросы по-разному, но Рокко и его коллеги пересмотрели некоторые математические выкладки, лежащие в основе несоответствия, чтобы выяснить, может ли альтернативный подход разрешить кажущуюся асимметрию. Их выводы, недавно опубликованные в журнале Scientific Reports, свидетельствуют о существовании не одной, а двух противоположных стрел времени в открытых квантовых системах.
Это похоже на то, как если бы наш стакан с водой шатко балансировал на острие ножа: он мог бы упасть и пролиться в любую сторону, причём каждая сторона была бы противоположной стреле времени. Но от того, что чашка упадёт в одну сторону или в другую, вода не прольётся по-другому. В любом случае, с математической точки зрения, конечный результат одинаков — он сохраняет симметрию для обоих возможных случаев. «В каком-то смысле мы застряли в этой вселенной, где время действительно идёт в одном направлении», — объясняет Рокко. «Но уравнения движения, которые мы рассматриваем, позволили бы Вселенной двигаться в другом направлении».
Таким образом, существование обоих случаев является отражением симметрии времени, в отличие от общепринятого понимания того, что окружающая среда навязывает или «определяет стрелу времени», — говорит Рокко. Другими словами, работа исследователей предполагает, что две стрелы времени, а не одна, являются спонтанной особенностью открытой квантовой системы.
Новая работа добавляет несколько интересных вопросов о том, что физики считают важным в своих исследованиях времени. Микеле Кампизи, физик-теоретик из Института нанонауки Национального исследовательского совета Италии, не принимавший участия в исследовании, хвалит работу за смелый подход, но отмечает, что она также подразумевает странную, субъективную податливость происхождения стрелы времени. По его словам, «как» и «почему» то, как летит время, «отражает приближение», зависящее от предпочтительной для физика интерпретации самой квантовой механики, которых существует несколько. По его словам, взгляд человека на квантовую систему в определённой степени определяется его ожиданиями. Например, при более «глобальном» взгляде на события предполагаемая открытая система может оказаться лишь частью гораздо большей изолированной системы, в которой осложнения с временной асимметрией вообще не возникают.
Тем не менее, эта работа демонстрирует, что наши поиски понимания квантовой области все ещё далеки от завершения, говорит Джеймс Крессер, профессор физики в отставке. «Это [помогает] поколебать общепринятую идею о том, что некоторые уравнения, описывающие диссипативное поведение, не являются инвариантными во времени и, следовательно, являются теоретическим индикатором определённого физического состояния дел», — говорит Крессер. (Крессера в исследовании поблагодарили за «просвещающие дискуссии», к тому же он был преподавателем в университете у ведущего автора исследования Томаса Гуффа — но непосредственного вклада в работу он не вносил).
Например, поведение воды, когда она проливается, напоминает диссипативное поведение в квантовой механике и термодинамике, называемое декогеренцией, при котором система постепенно рассеивается, или «декогерирует», и «теряет» информацию. В данном примере информацией является особое расположение молекул воды внутри чашки. Диссипативные процессы считаются асимметричными по отношению ко времени, потому что начальная конфигурация в итоге не имеет никакого отношения к конечному состоянию дел, объясняет Николь Юнгер Халперн, физик из Национального института стандартов и технологий, которая не принимала участия в новом исследовании.
Но даже такая интерпретация неизбежно зависит от наших представлений о том, как должна развиваться система по мере прохождения через неё энергии. Например, если бы мы увидели два фильма, в одном из которых вода проливается, а в другом — вода чудесным образом возвращается в чашку, мы были бы склонны сказать, что второй фильм иллюзорен и невозможен и что это всего лишь первый, воспроизведённый в обратном порядке. Таким образом, асимметричная стрела времени — это в некотором роде «производный феномен», — говорит Юнгер Халперн. «Мы все можем распознать его в нашем повседневном опыте».
При всём при этом, возможно, концепция времени — стрела это или нет — не что иное, как «строительные леса», за которые человеческий может ухватиться, пытаясь «обозначить все события, происходящие в окружающем нас мире», — говорит Крессер. «Но сами события не опираются на строительные леса. И то, что мы делаем с этими уравнениями, — это применение одного вида временных строительных лесов как альтернативы сравнению с другим возможным временным строительным лесам».
В таком случае наши вопросы о времени, возможно, никогда не получат ответов – так сказать, останутся вечными. «Мы неизбежно погребены во времени — это глубокая часть нашего существования, от которой мы никогда не сможем избавиться», — говорит Крессер.
Автор: SLY_G
