Прорывной эксперимент показал, что время «возникает» в результате спутывания квантовых частиц

В 1983 году физики-теоретики Дон Пейдж и Уильям Вутерс предложили новаторскую теорию, основанную на феномене квантового спутывания. Это экзотическое свойство позволяет двум квантовым частицам иметь общее существование, даже если они физически разделены.

Квантовое спутывание – это глубинная и мощная связь, и Пейдж и Вутерс продемонстрировали, что её можно использовать для измерения времени. Их идея заключалась в том, что способ, которым пара спутанных частиц эволюционирует, представляет собой некоторый вид часов, которые можно использовать для измерения времени.

Но получаемые в их концепции результаты зависели от того, как проводилось наблюдение. Одним из способов является сравнение изменений в спутанных частицах с помощью внешних часов, которые полностью независимы от вселенной. Это эквивалент богоподобного наблюдателя за пределами нашей вселенной, измеряющего эволюцию частиц с помощью внешних часов.

В данном случае Пейдж и Вутерс показали, что частицы будут полностью неизменными – время в таком сценарии не будет существовать.

Но есть и другой способ, который даёт иной результат. В нём наблюдатель является внутренним и сравнивает эволюцию частиц с помощью остальной вселенной. В таком случае внутренний наблюдатель будет видеть изменение, и эта разница в эволюции частиц в сравнении со всем остальным будет важной мерой времени.

Это изящная и мощная концепция. Она предполагает, что время – это возникающий феномен, который появляется в реальности благодаря природе квантового спутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри нашей вселенной. Любой богоподобный наблюдатель за её пределами будет видеть статичную неизменяющуюся вселенную, как прежде предсказывало более раннее квантовое уравнение Уилера-ДеВитта.

Разумеется, без экспериментального подтверждения идеи Пейджа и Вутерса не более чем философский курьёз. А поскольку у нас нет никакой возможности получить наблюдателя за пределами нашей вселенной – то, по-видимому, у нас нет и никаких шансов когда-либо подтвердить эту теорию.

По крайней мере, так было до сегодняшнего дня. Несколько дней назад Екатерина Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. И они продемонстрировали, что время действительно является возникающим феноменом для внутренних наблюдателей, но его не существует для наблюдателей внешних.

Этот эксперимент включает в себя создание игрушечной вселенной, состоящей из пары спутанных фотонов и наблюдателя, который может измерять их состояние одним из двух способов. В первом наблюдатель измеряет эволюцию системы, спутывая себя с ней. Во втором богоподобный наблюдатель измеряет эволюцию в сравнении с внешними часами, которые полностью независимы от игрушечной вселенной.

Сам эксперимент достаточно прямолинеен. Каждый из спутанных фотонов имеет поляризацию, которая может быть изменена прохождением через двулучепреломляющую пластинку. В первом случае наблюдатель измеряет поляризацию одного фотона, таким образом, спутываясь с ним. Затем он сравнивает результат с поляризацией второго фотона. Полученная им разница и будет мерой времени.

Во втором случае оба фотона также проходят через двулучепреломляющие пластинки, которые изменяют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.

В этом случае наблюдатель не может заметить какой-либо разницы между фотонами, не приходя в состоянии спутанности с одним из них. А если нет никакой разницы, система предстаёт перед ним статичной. Другими словами – время в ней не возникает.

«Хотя она и невероятно проста, наша модель объединяет два противоречащих друг другу, как казалось прежде, свойства механизма Пейджа-Вутерса», говорит Морева.

Это весьма впечатляющий эксперимент. Появление чего-либо является популярной концепцией в науке. В частности, недавно физики заинтересовались идеей, что гравитация также является таким возникающим феноменом. А отсюда до идеи о сходном механизме возникновения времени оставался всего один шаг.

Чего не хватает возникающей гравитации – это, разумеется, экспериментальной демонстрации, которая показывала бы, как это работает на практике. Именно поэтому работа Моревы имеет такое важное значение – она впервые в мире помещает абстрактную и экзотическую идею на устойчивое экспериментальное основание.

А возможно самым важным результатом этой работы является то, что ей впервые удалось продемонстрировать, что квантовая механика и общая теория относительности не так уж несовместимы.

Следующим шагом станет дальнейшее развитие идеи, в частности – на макроскопическом уровне. Одно дело показать, как время возникает в фотонах, и другое – понять, как оно возникает для людей.

И это будет непростой работой.