Новая теория убедительно объединила ход времени и квантовую запутанность

Кофе остывает, здания рушатся, яйца бьются, а звезды выдыхаются во Вселенной, которой, кажется, суждено деградировать в состояние равномерной серости, известной как тепловое равновесие. Астроном-философ сэр Артур Эддингтон в 1927 году привел постепенное распространение энергии в качестве доказательства необратимой «стрелы времени».

Но к недоумению поколений физиков, стрела времени, похоже, не вытекает из основных законов физики, по которым двигаться вперед во времени — это то же самое, что и назад. По этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и повернул их вспять, энергия накапливалась бы, а не распылялась: холодный кофе спонтанно нагревался бы, здания собирались бы из обломков, а солнечный свет собирался обратно в солнце.

«В классической физике мы сильны, — говорит Санду Попеску, профессор физики Бристольского университета в Великобритании в интервью журналу QuantaMagazine. — Если бы я знал больше, мог бы я переломить ход события, собрать воедино все молекулы разбитого яйца?».
Конечно, профессор говорит, что стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента рождения термодинамики в 1850-х годах, единственным известным подходом для расчета распространения энергии оставалось сформулировать статистическое распределение неизвестных траекторий частицы и показать, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики определили фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы переплетаются, когда взаимодействуют — странный эффект под названием «квантовая запутанность».

«Наконец мы можем понять, почему чашка кофе уравновешивается в комнате, — говорит Тони Шорт, квантовый физик из Бристоля. — Запутанность накапливается между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты».
Бристоль

Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден и Андреас Уинтер сообщили об открытии журналу Physical Review E в 2009 году, утверждая, что объекты достигают равновесия, или состояния равномерного распределения энергии, в течение бесконечного количества времени за счет квантово-механического запутывания с окружающей средой. Похожее открытие опубликовал Питер Рейман из Билефельдского университета в Германии несколькими месяцами раньше в Physical Review Letters. Шорт и коллеги укрепили аргументацию в 2012 году, показав что запутанность вызывает уравновешенность за конечное время. Также, в работе, опубликованной на arXiv.org в феврале, две отдельных группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются, за время, пропорциональное их размеру.

«Чтобы показать, что это применимо к нашему физическому миру, процессы должны происходить в разумных временных масштабах», — говорит Шорт.
Тенденция кофе (и всего остального) достигать равновесия — «крайне интуитивна», считает Николас Бруннер, квантовый физик из Женевского университета. «Но когда нужно объяснить, почему это происходит, впервые мы имеем твердые основания с учетом микроскопической теории».

Если новая линия исследований верна, история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа по своей сути неопределенна. Элементарной частице не хватает конкретных физических свойств и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентным шансом вращаться по часовой стрелке и с 50-процентным — против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла гласит, что нет «истинного» состояния частицы; вероятности — единственное, что можно использовать для его описания.

Квантовая неопределенность неизбежно приводит к запутанности, предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их больше нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описываются двумя частицами вместе. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой из индивидуальных частиц «смешанное». Обе частицы можно отдалить на световые годы друг от друга, но спин каждой частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии».

«Запутанность — это некотором смысле суть квантовой механики», или законы, регулирующие взаимодействия на субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.
Идея того, что запутанность может объяснить стрелу времени, впервые пришла в голову Сету Ллойду тридцать лет назад, когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета с Гарвардской степенью по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и то, как она распространяется по мере того, что частицы становятся все более запутанными, может заменить человеческую неуверенность (или незнание) в старых классических доказательствах как истинный источник стрелы времени.

Используя известный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными блоками, Ллойд провел несколько лет, изучая эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц (1) и нулей (0). Он выяснил, что поскольку частицы все больше запутываются друг с другом, информация, которая их описывала (1 — для спина по часовой стрелке, и 0 — против часовой, например), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Как если бы частицы постепенно потеряли свою индивидуальную автономию и стали пешками коллективного состояния. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, их состояния перестают меняться, словно чашка с кофе остывает до комнатной температуры.

«Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаны. Стрела времени — это стрела роста корреляций».
Идея, представленная в докторской диссертации 1988 года, не была услышана. Когда ученый отправил ее в журнал, ему сказали, что «в этой работе нет физики». Теория квантовой информации «была глубоко непопулярна» в то время, говорит Ллойд, и вопросы о стреле времени «оставались психам и нобелевским лауреатам, которые ушли на пенсию».

«Я был чертовски близок к тому, чтобы стать водителем такси», — рассказал Ллойд.
С тех пор, достижения в области квантовых выислений превратили теорию квантовой информации в одну из самых активных областей физики. В настоящее время Ллойд остается профессором Массачусетского технологического института, признан одним из основателей дисциплины, и его забытые идеи всплывают в более уверенной форме в головах физиков Бристоля. Новые доказательства являются более общими, говорят ученые, и применимы к любой квантовой системе.

«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов, — говорит Ренато Реннер, глава Института теоретической физики в ETH Zurich. — Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время».
В 2009 году доказательство группы бристольских физиков вызвало отклик у квантовых информационных теоретиков, открывая новые способы применения их методов. Оно показало, что по мере того, как объекты взаимодействуют со своим окружением — как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом, например, — информация об их свойствах «утекает и смазывается со средой», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе приходит к стагнации, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает развиваться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться со временем».

Получается, холодная чашка с кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно «стать не смешанным» с воздухом и войти в чистое состояние. Но кофе доступно настолько больше смешанных состояний, чем чистых, что это практически никогда не произойдет — скорее вселенная закончится, чем мы сможем это засвидетельствовать. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой.

«По сути, запутанность открывает для вас огромное пространство, — комментирует Попеску. — Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Как только вы войдете в них, вы попадете в огромное пространство и потеряетесь в нем. К воротам тоже не вернетесь никогда».
В новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний, что приводит к уравновешиванию чашки кофе и комнаты. Комната в конце концов уравновешивается с внешней средой, а среда — еще более медленно — дрейфует к равновесию с остальной частью вселенной. Гиганты термодинамики 19 века рассматривали этот процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос, вселенной. Сегодня же, Ллойд, Попеску и другие в этой сфере видят стрелу времени по-другому. По их мнению, информация становится все более диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.

«В целом вселенная находится в чистом состоянии, — говорит Ллойд. — Но отдельные ее части, будучи запутанными с остальной частью вселенной, остаются смешанными».
Один из аспектов стрелы времени остается нерешенным.

«В этих работах нет ничего, что объяснит, почему вы начинаете с ворот, — говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. — Другими словами, они не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе Большого Взрыва.
Несмотря на недавний прогресс в расчете времени уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для расчета термодинамических свойств конкретных вещей, вроде кофе, стекла или экзотических состояний материи.

«Дело в том, что нужно найти критерии, при которых вещи ведут себя как оконное стекло или чашка чая, — говорит Реннер. — Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении, но впереди еще много работы».
Некоторые исследователи выразили сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты. Но концептуальные достижения и новый математический формализм уже помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, например о фундаментальных пределах квантовых компьютеров и даже о конечной судьбе Вселенной.

«Мы все больше и больше думаем о том, что можно сделать с квантовыми машинами, — говорит Пол Скржипчик из Института фотонных наук в Барселоне. — Допустим, система еще не находится в состоянии равновесия и мы хотим заставить ее работать. Сколько полезной работы мы сможем извлечь? Как я смогу вмешаться, чтобы сделать что-нибудь интересное?».
Шон Кэрролл, теоретик-космолог из Калифорнийского технологического института, применяет новый формализм в своей последней работе о стреле времени в космологии. «Мне интересна самая что ни на есть долгосрочная судьба космологического пространства-времени. В этой ситуации мы еще не знаем всех нужных законов физики, поэтому есть смысл обратиться к абстрактному уровню, и здесь, я думаю, мне поможет этот квантово-механический подход».

Двадцать шесть лет спустя грандиозного провала идеи Ллойда о стреле времени, он рад быть свидетелем ее подъема и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, другое проявление стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь что-то с листа бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые достигают глаз. Только с этого момента вы будете способны вспомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд:

«Настоящее может быть определено как процесс связывания (или установления корреляций) с нашим окружением».
Фоном для устойчивого роста запутанностей по всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на йоту не приблизились к пониманию природы самого времени или почему оно отличается от трех других измерений пространства. Попеску называет эту загадку «одной из величайших непоняток в физике».

«Мы можем обсудить факт того, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, — говорит он. — Но наше восприятие того, что время идет — это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится революция в физике, которая откроет нам эту тайну».