Вчені з’ясували, чи можливі подорожі у минуле

Китайські фізики представили революційну модель, яка пояснює односторонній рух часу через процеси на квантовому рівні. Дослідження доводить, що навіть за умови симетрії законів фізики, накопичення інформаційних кореляцій робить повернення у минуле неможливим.

Про це пише Interesting Engineering.

Науковці з Китаю висунули теорію, яка покликана пояснити, чому плин часу має лише один напрямок. Команда Хайнаньського університету на півдні країни представила нову концептуальну модель, що допомагає по-новому поглянути на цю фундаментальну проблему.

Водночас дослідження не припускає можливості подорожей у минуле. Йдеться радше про альтернативне тлумачення того, чому час узагалі спрямований, попри те що базові закони Всесвіту часто не роблять різниці між минулим і майбутнім.

Від моменту, коли людина здобула здатність до абстрактного мислення, час залишається однією з найбільших загадок природи. Ми здатні згадувати минулі події, жити теперішнім і будувати очікування щодо майбутнього, але ніколи не спостерігаємо руху часу у зворотний бік. Розбите скло не відновлюється саме по собі, люди не стають молодшими, а вчора неможливо прожити ще раз. Водночас чимало фундаментальних фізичних законів не містять прямої заборони на зворотний плин часу. Саме ця суперечність уже понад сто років не дає спокою вченим.

Ентропія пояснює багато незворотних процесів

У щоденному досвіді час відчувається як чітко спрямований. Цю властивість часто описують поняттям «стріла часу» — терміном, що означає односторонній рух від минулого до майбутнього. Проте аналізуючи рівняння, які описують поведінку фундаментальних частинок у класичній механіці, електромагнетизмі чи квантовій теорії, фізики нерідко доходять висновку, що вони однаково коректні як для руху вперед, так і назад у часі.

Звідси й виникає логічне запитання: якщо фізичні закони переважно симетричні щодо часу, чому наше сприйняття реальності є таким однозначно одновекторним?

Традиційна відповідь ґрунтується на термодинаміці. Ще у XIX столітті фізик Людвіг Больцман пов’язав стрілу часу з ентропією — величиною, яку зазвичай трактують як міру безладу. Другий закон термодинаміки стверджує, що в ізольованій системі ентропія з часом зростає. Саме цим пояснюють танення льоду, розширення газів і те, чому складні структури схильні руйнуватися, а не спонтанно впорядковуватися.

Попри це, ентропія не дає повної відповіді. Мікроскопічні закони все ще допускають обидва напрями часу, а сама концепція ентропії спирається на припущення щодо початкових умов Всесвіту. Саме на цьому етапі особливого значення набувають нові підходи, зокрема й запропоновані китайськими дослідниками.

Новий підхід зосереджується на квантовому рівні

Нова теоретична модель, опублікована цього місяця в рецензованому журналі Annals of Physics, звертається до процесів квантового масштабу, де частинки та системи тісно переплетені між собою. Замість того щоб обмежуватися ентропією або зовнішнім спостереженням, автори роботи стверджують, що напрям часу може природно виникати з внутрішньої еволюції самих квантових систем. Про це йдеться в дослідженні під керівництвом фізика Цай Цін’ю та його колег з Хайнаньського університету.

На квантовому рівні системи ніколи не є повністю ізольованими. Вони постійно взаємодіють, обмінюються інформацією і стають взаємно скорельованими. У міру накопичення таких кореляцій повернути еволюцію системи назад стає дедалі складніше на практиці, навіть якщо формально рівняння цього не забороняють.

У межах цього підходу незворотність не нав’язується зовнішніми чинниками. Вона випливає з самої будови й динаміки системи. Під час взаємодії квантових елементів інформація про їхні попередні стани розсіюється та стає фактично недосяжною. Це створює природне розрізнення між «до» і «після» та формує стрілу часу.

Запропонована концепція не заперечує ані термодинаміку, ані теорії Ейнштейна, а радше доповнює їх. Ентропія й надалі залишається ключовою на макрорівні, тоді як теорія відносності описує поведінку часу за умов великих швидкостей і потужних гравітаційних полів.

Як напрям часу може виникати з квантових процесів?

Основна цінність нової теорії полягає в глибшому розумінні того, як напрям часу може з’являтися з квантових процесів без опори виключно на вимірювання, спостереження чи особливі стартові умови. Вона допомагає звести воєдино мікроскопічні закони природи з макроскопічним людським досвідом.

Подібні роботи є частиною ширшого напряму сучасної фізики, який намагається з’ясувати, як складні явища — зокрема час, свідомість або класична реальність — постають із простіших фундаментальних правил.

Дослідження дало глибоке розуміння фундаментального зв’язку між квантовою та класичною фізикою, «торкаючись одного з найглибших питань у науці», — зазначив старший теоретичний фізик і член Китайської академії наук Сунь Чанпу у повідомленні Хайнаньського університету.

Цай і його команда використовували кореляції як інструмент вимірювання обсягу інформації, якою обмінюються різні частини замкненої системи, щоб відстежувати перебіг процесів у часі.