Физики обнаружили математический предел для обратного хода времени

Фото из открытых источников

Наше восприятие времени кажется однородным и однонаправленным, но теория относительности допускает некоторую гибкость, которая может оказаться гораздо более изменчивой, чем можно было бы ожидать.

Например, в сильном гравитационном поле время течет медленнее по сравнению со временем на большем расстоянии – как будто сама гравитация замедляет его. Точно так же, если вы путешествуете достаточно быстро, время будет течь для вас медленнее, чем для того, кто остаётся позади.

В этих примерах время по-прежнему течет только в одном направлении.

Но если заглянуть за пределы теории относительности, в область квантовой механики, возникает другая возможность – возможность, при которой время может не просто замедлиться, а фактически пойти вспять.

Но что происходит, когда это случается? Новое математическое исследование этого вопроса дало неожиданный ответ: сама квантовая среда накладывает ограничение на то, насколько далеко назад может эффективно уходить время.

И оно невероятно короткое.

Согласно простейшей модели, исследованной физиками Якиром Ахароновым из Тель-Авивского университета и Авшаломом К. Элицуром из Израильского института перспективных исследований, время могло эффективно идти вспять лишь примерно на фемтосекунду – или одну квадриллионную долю секунды.

Подробности их работы изложены в препринте, загруженном на arXiv .

Это не первый случай, когда Ааронов говорит об обращении времени вспять.

В 1990 году он и его коллеги предложили теоретическое устройство, названное машиной квантового переноса времени, которое могло бы использовать странные свойства квантовой механики, чтобы заставить систему вести себя так, как если бы время ускорилось, остановилось или даже пошло вспять.

Эта идея основана на особенности квантовой механики, называемой суперпозицией, при которой система может одновременно существовать в комбинации различных возможных состояний.

Представьте, что у вас есть часы, находящиеся в состоянии суперпозиции, занимающие одновременно две разные позиции в гравитационном поле – с достаточной разницей в силе гравитации, чтобы повлиять на скорость течения времени.

В одной точке, расположенной глубже в гравитационном поле, время течет медленнее. В другой, более удаленной точке, время течет быстрее.

Квантовая механика допускает сосуществование обеих возможностей. И когда две ветви часовых механизмов снова соединяются, они могут взаимодействовать друг с другом.

Вот тут-то и начинаются странности. Выбирая определенный результат этого вмешательства — процесс, называемый пост-отбором, — физики теоретически могут заставить часы вести себя так, как если бы они пережили отрезок времени, выходящий за пределы диапазона любой из возможных вариантов.

Это может означать, что прошло больше времени, чем указано в данных данных. Это может означать, что времени вообще не прошло. Или это может означать отрицательное значение времени – как будто часы идут вспять.

Теперь, 36 лет спустя, Ахаронов и Элицур вернулись к этой идее, чтобы исследовать особенно сложный вопрос: насколько далеко может на самом деле простираться это отрицательное время?

Поскольку эта концепция остается теоретической, а не экспериментально реализованной, пара обратилась к математике, чтобы исследовать четыре немного отличающиеся конфигурации машины.

Но прежде чем начать, им пришлось ответить на обманчиво простой вопрос. Предположим, всё-таки удалось повернуть время вспять. Но как это доказать? И вот здесь на первый план выходит небольшой атомный распад.

Когда атом поглощает энергию, один из его электронов может перейти на более высокий энергетический уровень, переводя атом в так называемое возбужденное состояние.

Но атомы немного ленивы – они стремятся вернуться в невозбужденное состояние (это понятно). В конце концов, электрон может опуститься на более низкий энергетический уровень, высвобождая избыточную энергию в виде фотона. Этот процесс называется спонтанным излучением, и при обычных условиях он происходит только в одном направлении.

Поэтому исследователи предложили начать с набора атомов, которые уже начали распадаться, и посмотреть, сможет ли их теоретическая машина обратить этот процесс вспять.

Представьте, что у вас есть 100 возбужденных атомов. Вы ждете, пока некоторые из них высвободят свою энергию, и в возбужденном состоянии останется только 80 атомов. Теперь предположим, что вы пропустили эти 100 атомов через теоретическую машину времени.

Если в результате получается более 80 возбужденных атомов, то установка фактически обращает вспять часть уже произошедшего распада.

Если бы время действительно шло вспять, испускаемый свет должен был бы вернуться к атомам, восстанавливая их возбужденное состояние, что создает новую проблему. Фотоны могли уже улететь или быть поглощены чем-то другим.

Чтобы учесть все это, Ахаронов и Элицур представили себе, как атомы заключены внутри полностью герметичной ячейки, вместе с излучаемым ими светом и стенками, способными его поглощать.

Затем вся клетка проходит через теоретическую машину, что позволяет исследователям выяснить, можно ли эффективно обратить весь процесс вспять.

И вот здесь возникло довольно жесткое препятствие.

Даже внутри герметичной ячейки атомы не существуют изолированно. Излучая свет, они взаимодействуют с окружающим электромагнитным полем, оставляя следы произошедшего.

В простейшей версии машины обращение распада зависит от того, сохраняют ли эти взаимодействия квантовую когерентность, необходимую для интерференции двух возможных сценариев развития событий.

Но это окно не останется открытым надолго. В оптическом примере, приведенном исследователями, это длится около одной фемтосекунды.

Кроме того, окружающая среда фактически сохранила слишком много информации об выбросах, чтобы простейшая двухветвевая машина смогла произвести желаемое изменение направления потока.

Таким образом, ограничение устанавливается не временем, а памятью окружающей среды об освещенности.

Более сложные версии машины теоретически могли бы обращать вспять более длительные интервалы, но только за счет введения значительно большего количества квантовых ветвей с все более маловероятными шансами на успех.

Но что же, несомненно, вы сейчас спросите, насчет второго закона термодинамики? Это важный момент и исследователи прямо его рассмотрели.

Согласно второму закону термодинамики, полная энтропия изолированной системы никогда не может уменьшаться. Природные процессы, как правило, движутся в одном направлении: от более упорядоченных состояний к менее упорядоченным.

Как выразился сэр Артур Эддингтон: «Если ваша теория окажется противоречащей второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; вам ничего не остаётся, кроме как рухнуть в глубочайшем унижении».

Но если бы время могло течь вспять, разве это не нарушило бы второй закон термодинамики? Не обязательно.

Проблема заключается в пост-отборе. Кажущееся обращение времени вспять происходит лишь в очень небольшой доле возможных исходов, тщательно отобранных из всех остальных.

Если рассматривать все возможные варианты развития событий, система в целом по-прежнему подчиняется второму закону термодинамики. Энтропия не начала волшебным образом уменьшаться повсеместно.

Таким образом, теоретическая машина Ахаронова и Элицура может создать нечто, похожее на обратное течение времени, не нарушая при этом один из самых фундаментальных законов физики, — тем самым избежав угрозы унижения для Эддингтона.

Но зачем идти на такие крайние меры?

Дело не в том, можем ли мы построить машину, которая будет отправлять предметы назад во времени. Вопрос в том, почему время, кажется, движется только в одном направлении.

Многие фундаментальные уравнения физики одинаково хорошо работают как в прямом, так и в обратном направлении. Однако мир, в котором мы живем, полон процессов, которые, кажется, невозможно отменить.

Точно определив места, где нарушается квантовая обратимость времени, работа Ахаронова и Элицура может помочь физикам понять, как окружающая среда порождает необратимые процессы, определяющие наше восприятие времени.

«Стрела времени входит точно в ту точку, где машина останавливается», — пишут исследователи.