Час може взагалі не існувати: що кажуть фізики

Природа часу — одна з найглибших і найдавніших проблем фізики, щодо якої вчені не можуть дійти єдиної думки. З нашого погляду, здається, що час завжди рухається вперед. Але що ретельніше вчені вивчають час, то дивнішим він стає: від рівнянь, які стверджують, що час має йти і вперед, і назад, до дивного квантового світу, де причина і наслідок можуть перевернутися з ніг на голову, пише Science Focus.

Можливо, час — це ілюзія?

Існує три абсолютно різні способи визначення часу, які нелегко узгодити один з одним.

• Перше визначення часу виходить із рівнянь, що описують, як усе змінюється з плином часу. У всіх цих рівняннях час є величиною, яку називають "координатним часом". У цьому випадку час — це математичний параметр, якому можна присвоїти певне значення.
• Друге визначення часу виходить із теорії відносності Ейнштейна, де час є четвертим виміром на додаток до тих вимірів простору. Це напрямок у чотиривимірному просторі-часі. У цьому разі минуле, теперішнє і майбутнє однаково реальні й співіснують, точно так само, як усі точки в просторі однаково реальні. При цьому час має глибокий зв'язок із гравітацією згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна.

Уже кілька десятиліть фізики намагаються об'єднати загальну теорію відносності з квантовою механікою. Математичні концепції, що намагаються зробити це, відомі як теорії квантової гравітації. Але примирити різні поняття часу з цих двох теорій неймовірно складно.

Час у квантовій гравітації

Причина, через яку так важко примирити квантову механіку із загальною теорією відносності, полягає в тому, що їхня математика фундаментально несумісна. Квантові ефекти керують поведінкою субатомного світу, тоді як гравітація впливає на набагато більші масштаби Всесвіту.

Ранні спроби об'єднати квантовий опис реальності з чотиривимірним простором-часом призвели 1967 року до появи рівняння Віллера — ДеВітта, в якому час більше не з'являється взагалі. Це рівняння показує, що час може бути просто ілюзією.

Але чому здається, що час існує і тече тільки в одному напрямку?

• Це підводить нас до третього визначення часу, що випливає з термодинаміки, яке описує властивості великої кількості частинок, що розглядаються в таких термінах, як тепло, температура і тиск. У цьому випадку час є не вимірюванням і не параметром, а напрямком, що вказує з минулого в майбутнє. У цьому випадку, час показує збільшення ентропії або безладу в системі.

Але факт полягає в тому, що в усіх фундаментальних рівняннях фізики зміна напрямку часу не заважає рівнянням працювати. Тобто час може вказувати в будь-який бік, і ми не зможемо відрізнити майбутнє від минулого. Однак ми бачимо явну різницю між минулим і майбутнім.

Як поєднати той факт, що наші рівняння працюють однаково добре, незалежно від напрямку плину часу? Для цього доведеться звернутися до квантової заплутаності.

Квантова заплутаність

Квантові об'єкти, такі як електрони, можуть володіти властивостями, які не фіксуються до того, як їх виміряли спостерігачі. Тобто електрони можуть існувати у стані квантової суперпозиції, маючи одночасно різні властивості. Лише коли спостерігач вимірює певну властивість квантового об'єкта, це змушує квантову систему вибрати один із безлічі варіантів цієї властивості.

Але якщо до вимірювання електрон взаємодіє з другим електроном, то цей другий електрон може бути "заражений" суперпозицією першого. Він також опиниться в стані невизначеності до початку вимірювання. Тому два електрони перебувають у стані квантової заплутаності і їх потрібно описувати як єдину квантову сутність.

Особливість квантової заплутаності полягає в тому, що спостереження одного з двох електронів одночасно змушує другий отримати одну з доступних властивостей у суперпозиції. Це станеться одночасно, як би далеко електрони не знаходилися один від одного. Отже, як квантова заплутаність може допомогти визначити природу часу?

У 1983 році Дон Пейдж і Вільям Вуттерс уперше припустили, що існує зв'язок між часом і квантовою заплутаністю. Уявіть, що якийсь гіпотетичний квантовий годинник квантово заплутаний зі своїм оточенням. Таким чином виникає квантово заплутана система "годинник + навколишнє середовище", яка перебуває в суперпозиції станів у різні моменти часу.

Тепер, коли ми вимірюємо час за годинником, це змушує навколишнє середовище годинника синхронізуватися з тим, що відбувалося тільки в цей момент часу.

Уявімо собі загальний стан Всесвіту, який може складатися з двох частин: годинника і всього іншого. Для спостерігачів сприйняття конкретного часу рівнозначне виміру показань годинника в цей момент, тому ми сприймаємо реальність навколишнє середовище годинника, тобто Всесвіт, у цей момент. Але, якщо дивитися "ззовні" Всесвіту, не буде жодної течії часу.

Квантова причинність

Якщо квантова механіка стверджує, що система може перебувати в суперпозиції станів у два різні моменти часу, то це призводить до ще більш цікавих наслідків, якщо розглянути порядок причини і наслідку. Тобто, щоб щось сталося, причина має передувати наслідку.

Уявіть собі дві події, A і B, наприклад, спалахи світла, викликані двома джерелами, розташованими в різних місцях. Причина і наслідок означають, що існують три можливості:

• 1) Спалах A стався раніше спалаху B і міг спровокувати спалах B;
• 2) Спалах B стався раніше спалаху A і міг спровокувати його;
• 3) Жоден з них не міг спровокувати інший, оскільки вони занадто далекі один від одного в просторі і занадто близькі в часі, щоб сигнал, що викликає подію, був посланий з одного місця в інше.

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що всі спостерігачі, незалежно від того, наскільки швидко вони рухаються один відносно одного, бачать світло, що рухається з однаковою постійною швидкістю. Це може призвести до того, що спостерігачі бачитимуть події, що відбуваються в різному порядку.

У варіанті 3) два спостерігачі, що рухаються відносно один одного зі швидкістю, близькою до швидкості світла, можуть розходитися в думках про порядок появи спалахів.

А що, якщо варіанти 1) і 2) співіснують у квантовій суперпозиції? Причинно-наслідковий порядок двох подій більше не буде фіксованим. Вони існуватимуть у комбінованому стані. Таким чином, причина і наслідок можуть стати розмитими. Ситуація стає ще більш дивною, якщо ввести гравітацію.

Час — це складне багатогранне явище

Уявіть два квантово заплутаних годинники, кожен з яких перебуває в суперпозиції на різній висоті над поверхнею Землі. Згідно із загальною теорією відносності, це означає, що два годинники йдуть із трохи різною швидкістю через невелику різницю в гравітаційному полі.

Поки квантово заплутаний стан не буде виміряно шляхом спостереження часу на одному з годинників, неможливо визначити порядок подій, зареєстрованих двома годинниками.

І якщо ми не можемо визначити, які події відбуваються в майбутньому, а які в минулому, ми доходимо висновку про можливість того, що події діють у зворотному напрямку в часі, спричиняючи події в минулому.

У той час як деякі фізики стверджують, що причинність має бути збережена за всяку ціну, інші виступають на користь ідеї впливу майбутнього на минуле і навіть квантових подорожей у часі.

Цілком можливо, що час є не єдиним поняттям, а багатогранним і складним явищем. Можливо, час справді зберігає свої різні властивості залежно від того, як ми його використовуємо.

Як уже писав Фокус, фізики шукали нову силу природи всередині нейтронних зірок і виявили щось інтригуюче.