Время в квантовой системе заставили течь одновременно вперёд и назад

29 ноября 2021 г. 10:59:43

Группа физиков из Великобритании, Австрии и Испании обнаружила, что на уровне отдельных микрочастиц время течёт сразу в будущее и в прошлое — то есть, оно находится в состоянии суперпозиции без какого-либо выделенного направления. И только при переходе к большему количеству частиц время обретает определённое направление — процессы начинают идти из прошлого в будущее. Об этом учёные пишут в журнале Nature.

На уровне повседневной реальности тела «движутся» из прошлого в будущее, создавая направленную стрелу времени. Последнее на языке термодинамики выражается через рост энтропии — грубо говоря, через повышение беспорядка. Например, если на столе в лужице воды лежит подтаявший кубик льда — то с течением времени лёд может только таять всё больше и больше.

Стройная кристаллическая решётка льда будет всё сильнее разваливаться и переходить в бесформенную лужицу, пока полностью не «расползётся» в воду. Это и есть рост энтропии кубика льда, который задаёт ходу времени направление из прошлого (меньший беспорядок) в будущее (больший беспорядок). Обратное развитие событий практически невозможно в повседневной реальности — бесформенная лужица воды не может собраться в кубик льда, поэтому стрела времени не может «развернуться назад».

Однако исследование европейских физиков показывает, что на уровне микрочастиц энтропия с равным успехом как нарастает, так и убывает. Если перенести подтаявший кубик льда в квантовый мир — он будет и таять ещё сильнее (как в повседневной реальности), и собираться из лужицы обратно в кубик. Причём одновременно.

Другими словами, ход времени находится в квантовой суперпозиции, когда совмещаются совершенно разные, даже взаимоисключающие состояния. Процессы на квантовом уровне будто «не понимают», в каком направлении им развиваться, и потому двигаются по всем возможным сценариям сразу. Понятия причин и следствий теряют свой смысл — их больше нельзя выстроить в последовательную цепочку. Время «перестаёт быть стрелой».

Результаты замеров энтропии для обратного (слева) и прямого (справа) хода времени. Изображение авторов исследования

Физики убедились, что это действительно так, поставив эксперимент с квантовой системой из отдельных микрочастиц. Учёные множество раз «оставляли их на произвол судьбы» в изолированной камере, после чего замеряли уровень их энтропии. И оказалось, что микрочастицы с одинаковой вероятностью обретали как большую энтропию, так и меньшую — то есть, двигались во времени как в будущее, так и в прошлое. Квантовый кубик льда одновременно и таял, и собирался обратно.

Почему время идёт из прошлого в будущее

Суперпозиция хода времени существует лишь на очень и очень малых масштабах — кубик льда, чтобы одновременно таять и восстанавливаться из воды, должен состоять всего из нескольких частиц. Чем больше частиц — тем сильнее начинает доминировать одно из направлений хода времени.

Как говорят авторы исследования, в игру вступает статистика: когда речь заходит о большом количестве частиц, процессы начинают течь в сторону более вероятных состояний. Для кубика льда это состояние бесформенной лужи на столе.

Это можно выразить иначе: на квантовом уровне времени в привычном понимании не существует вовсе, так что отдельные микрочастицы могут «двигаться и в будущее, и в прошлое». Но в больших телах микрочастицы начинают «тащить» друг друга в одном энергетически выгодном направлении — в сторону роста энтропии, создавая иллюзию стрелы времени. Потому люди никогда не видят, как кубики льда собираются из луж воды, а разбитые чашки заскакивают обратно на стол в целости.

Источник