Течение времени может идти в любую сторону в мире квантовой физики, и это редкое явление можно наблюдать и измерять в хорошо спланированном эксперименте, согласно новому исследованию.
Одна из самых загадочных вещей в квантовой механике заключается в том, что субатомная частица может одновременно обладать различными физическими свойствами — например, вращаться в противоположных направлениях, что называется суперпозицией.
Почти столетие квантовые физики спорят о том, можно ли применить закон суперпозиции ко времени, чтобы субатомная частица могла одновременно ощущать прошлое и будущее.
Дебаты далеки от завершения, в частности потому, что остается неясным, при каких обстоятельствах время может быть обращено вспять и как обнаружить такое событие.
Джулия Рубино, квантовый физик из Британского Бристольского университета, и ее коллеги обнаружили, что стрелка времени указывает назад в простой квантовой системе, содержащей всего несколько субатомных частиц, когда хаос в системе уменьшается. Их статья была опубликована в пятницу в журнале .
Это явление можно наблюдать только тогда, когда система чрезвычайно стабильна, с небольшим количеством беспорядка, или «энтропии». «Мы не знаем, эволюционирует ли кубит (квантовая частица) «вперед во времени» или «назад во времени», пока он не будет измерен«, — сказала Рубино.
Путешествуют ли частицы во времени в прошлое или будущее, остается неизвестным до тех пор, пока они не будут измерены.
«Хотя эта идея кажется довольно бессмысленной в применении к нашему повседневному опыту, на самом фундаментальном уровне законы Вселенной основаны на квантово-механических принципах«, — говорит Рубино.
Время часто рассматривается как постоянно увеличивающийся параметр, но «наше исследование показывает, что законы, управляющие ее течением в квантово-механическом контексте, гораздо сложнее. Это может говорить о том, что нам необходимо переосмыслить способ представления этой величины во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль».
Исследователь квантовой физики Ван Иньдань, профессор Института теоретической физики Китайской академии наук в Пекине, говорит, что большинство ученых — и она, в том числе — до сих пор считают, что время движется в одну сторону.
В квантово-физических экспериментах с небольшим количеством атомов или легких частиц «почти любую операцию можно зарезервировать. Мы рассматривали это как физический процесс, а не как путешествие во времени«, — сказала Ванг, которая не принимала участия в британском исследовании.
«Мы не очень часто рассматриваем эффект времени, потому что движение частиц в квантовых экспериментах обычно намного медленнее скорости света«, — добавила она.
Вопрос времени рассматривался такими великими мыслителями, как Исаак Ньютон, который верил в существование «универсальных часов», управляющих жизнью и смертью всего во Вселенной.
Альберт Эйнштейн опроверг теорию абсолютного времени (и пространства) Ньютона своей теорией относительности, которая утверждала, что для человека, путешествующего со скоростью света, часы перестанут тикать.
По мнению Эйнштейна, человек, путешествующий быстрее света, теоретически мог бы видеть, что время движется вспять. Но далее он сказал, что ничто не движется быстрее света, потому что все было определено с момента рождения Вселенной.
Другими словами, стрела времени всегда направлена вперед.
Рубино и ее коллеги заявили, что общепринятое определение времени применимо к большой системе с большим количеством хаоса. В таких системах действительно невозможно уловить обратное движение во времени. Но в небольшой, стабильной системе это явление легче обнаружить, сказала она.
«В качестве примера можно взять последовательность действий, которые мы совершаем в утренней рутине. Если бы нам показали, как наша зубная паста перемещается с зубной щетки обратно в тюбик, мы бы не сомневались, что это перемотанная назад запись нашего дня«, — сказала она.
«Однако, если бы мы осторожно сжали тюбик так, что из него вышла лишь небольшая часть зубной пасты, мы бы не стали наблюдать, как она снова попала в тюбик — ее засосало внутрь в результате распада тюбика«.
Рубино и ее команда предложили два типа квантовых машин, одна из которых работает как двигатель, способный преобразовывать тепло в механические движения, а другая — как холодильник, чтобы проверить свою теорию — что, измеряя беспорядок квантовых частиц в этих устройствах, они смогут определить направление стрелок времени.
Куан Хайтао, профессор физики Пекинского университета, говорит, что вопрос о том, можно ли повернуть время вспять, остается одной из самых фундаментальных проблем квантовой физики.
«Возьмем, к примеру, пустую коробку, разделенную посередине стеной. Если заполнить одну сторону коробки беспорядочно прыгающими шариками для пинг-понга и убрать стенку, то шарики распределятся по всей коробке. Все шарики не вернутся обратно на ту сторону, потому что время нельзя повернуть вспять«, — сказал Куан.
«Но если мы уменьшим количество шариков для пинг-понга в коробке, вероятность того, что это произойдет, увеличится. Это известно как временная симметрия в квантовой физике, которая означает, что время может идти как вперед, так и назад«, — сказал он.
«Почему симметрия исчезает в большой, сложной системе, остается загадкой«.