Время может быть вообще не существует: что говорят физики

Природа времени — одна из самых глубоких и давних проблем физики, в отношении которой ученые не могут прийти к единому мнению. С нашей точки зрения, кажется, что время всегда движется вперед. Но чем тщательнее ученые изучают время, тем более странным оно становится: от уравнений, которые утверждают, что время должно идти и вперед, и назад, до странного квантового мира, где причина и следствие могут перевернуться с ног на голову, пишет Science Focus.

Может быть, время — это иллюзия?

Существует три совершенно разных способа определения времени, которые нелегко согласовать друг с другом.

• Первое определение времени исходит из уравнений, описывающих, как все меняется с течением времени. Во всех этих уравнениях время является величиной, называемой "координатным временем". В данном случае время – это математический параметр, которому можно присвоить определенное значение.
• Второе определение времени исходит из теории относительности Эйнштейна, где время является четвертым измерением в дополнение к тем измерениям пространства. Это направление в четырехмерном пространстве-времени. В данном случае прошлое, настоящее и будущее одинаково реальны и сосуществуют, точно так же, как все точки в пространстве одинаково реальны. При этом время имеет глубокую связь с гравитацией согласно общей теории относительности Эйнштейна.

Уже несколько десятилетий физики пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Математические концепции, пытающиеся сделать это, известны как теории квантовой гравитации. Но примирить разные понятия времени из этих двух теорий невероятно сложно.

Время в квантовой гравитации

Причина, по которой так трудно примирить квантовую механику с общей теорией относительности, заключается в том, что их математика фундаментально несовместима. Квантовые эффекты управляют поведением субатомного мира, в то время как гравитация влияет на гораздо более крупные масштабы Вселенной.

Ранние попытки объединить квантовое описание реальности с четырехмерным пространством-временем привели в 1967 году к появлению уравнения Уиллера — ДеВитта, в котором время больше не появляется вообще. Это уравнение показывает, что время может быть просто иллюзией.

Но почему кажется, что время существует и течет только в одном направлении?

• Это подводит нас к третьему определению времени, вытекающему из термодинамики, которое описывает свойства большого количества частиц, рассматриваемые в таких терминах как тепло, температура и давление. В этом случае время является не измерением и не параметром, а направлением, указывающим из прошлого в будущее. В данном случае, время показывает увеличение энтропии или беспорядка в системе.

Но факт заключается в том, что во всех фундаментальных уравнениях физики изменение направления времени не мешает уравнениям работать. То есть время может указывать в любую сторону, и мы не сможем отличить будущее от прошлого. Однако мы видим явную разницу между прошлым и будущим.

Как совместить тот факт, что наши уравнения работают одинаково хорошо, независимо от направления течения времени? Для этого придется обратиться к квантовой запутанности.

Квантовая запутанность

Квантовые объекты, такие как электроны, могут обладать свойствами, которые не фиксируются до того, как из измерили наблюдатели. То есть электроны могут существовать в состоянии квантовой суперпозиции, имея одновременно разные свойства. Только когда наблюдатель измеряет определенное свойство квантового объекта, это заставляет квантовую систему выбрать один из множества вариантов этого свойства.

Но если до измерения электрон взаимодействует со вторым электроном, то этот второй электрон может быть "заражен" суперпозицией первого. Он также окажется в состоянии неопределенности до начала измерения. Поэтому два электрона находятся в состоянии квантовой запутанности и их нужно описывать как единую квантовую сущность.

Особенность квантовой запутанности заключается в том, что наблюдение одного из двух электронов одновременно заставляет второй получить одно из доступных свойств в суперпозиции. Это произойдет одновременно, как бы далеко электроны ни находились друг от друга. Итак, как квантовая запутанность может помочь определить природу времени?

В 1983 году Дон Пейдж и Уильям Вуттерс впервые предположили, что существует связь между временем и квантовой запутанностью. Представьте, что некие гипотетические квантовые часы квантово запутаны со своим окружением. Таким образом возникает квантово запутанная система "часы + окружающая среда", которая находится в суперпозиции состояний в разные моменты времени.

Теперь, когда мы измеряем время по часам, это заставляет окружающую среду часов синхронизироваться с тем, что происходило только в этот момент времени.

Представим себе общее состояние Вселенной, которое может состоять из двух частей: часов и всего остального. Для наблюдателей восприятие конкретного времени равнозначно измерению показаний часов в этот момент, поэтому мы воспринимаем реальность окружающую среду часов, то есть Вселенную, в этот момент. Но, если смотреть "извне" Вселенной, не будет никакого течения времени.

Квантовая причинность

Если квантовая механика утверждает, что система может находиться в суперпозиции состояний в два разных момента времени, то это приводит к еще более интересным последствиям, если рассмотреть порядок причины и следствия. То есть, чтобы что-то произошло, причина должна предшествовать следствию.

Представьте себе два события, A и B, например, вспышки света, вызванные двумя источниками, расположенными в разных местах. Причина и следствие означают, что существуют три возможности:

• 1) Вспышка A произошла раньше вспышки B и могла спровоцировать вспышку B;
• 2) Вспышка B произошла раньше вспышки A и могла спровоцировать ее;
• 3) Ни одна из них не могла спровоцировать другую, поскольку они слишком далеки друг от друга в пространстве и слишком близки во времени, чтобы сигнал, вызывающий событие, был послан из одного места в другое.

Специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что все наблюдатели, независимо от того, насколько быстро они движутся друг относительно друга, видят свет, движущийся с одинаковой постоянной скоростью. Это может привести к тому, что наблюдатели будут видеть события, происходящие в разном порядке.

В варианте 3) два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга со скоростью, близкой к скорости света, могут расходиться во мнениях о порядке появления вспышек.

А что, если варианты 1) и 2) сосуществуют в квантовой суперпозиции? Причинно-следственный порядок двух событий больше не будет фиксированным. Они будут существовать в комбинированном состоянии. Таким образом, причина и следствие могут стать размытыми. Ситуация становится еще более странной, если ввести гравитацию.

Время — это сложное многогранное явление

Представьте двое квантово запутанных часов, каждые из которых находятся в суперпозиции на разной высоте над поверхностью Земли. Согласно общей теории относительности, это означает, что двое часов идут с немного разной скоростью из-за небольшой разницы в гравитационном поле.

Пока квантово запутанное состояние не будет измерено путем наблюдения времени на одних из часов, невозможно определить порядок событий, зарегистрированных двумя часами.

И если мы не можем определить, какие события происходят в будущем, а какие в прошлом, мы приходим к выводу о возможности того, что события действуют в обратном направлении во времени, вызывая события в прошлом.

В то время как некоторые физики утверждают, что причинность должна быть сохранена любой ценой, другие выступают в пользу идеи влияния будущего на прошлое и даже квантовых путешествий во времени.

Вполне возможно, что время является не единым понятием, а многогранным и сложным явлением. Возможно, время действительно сохраняет свои различные свойства в зависимости от того, как мы его используем.

Как уже писал Фокус, физики искали новую силу природы внутри нейтронных звезд и обнаружили нечто интригующее.