В квантовой реальности даже время течет не так, как принято считать

Группа физиков из университетов Бристоля, Вены, Балеарских островов и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI-Vienna) продемонстрировала, как квантовые системы могут одновременно развиваться по двум противоположным временным направлениям - как вперед, так и назад во времени.

Исследование, опубликованное в последнем номере журнала Communications Physics, требует переосмысления того, как понимается и представляется течение времени в контекстах, где квантовые законы играют решающую роль.

На протяжении веков философы и физики размышляли о существовании времени. Тем не менее, в классическом мире наш опыт, кажется, устраняет любые сомнения в том, что время существует и продолжается. Действительно, в природе процессы имеют тенденцию спонтанно эволюционировать от состояний с меньшим беспорядком к состояниям с большим беспорядком, и эта склонность может быть использована для определения направления движения времени. В физике это описывается в терминах "энтропии", которая является физической величиной, определяющей количество неупорядоченности в системе.

Доктор Джулия Рубино из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета (QET labs) и ведущий автор публикации говорит: "Если явление производит большое количество энтропии, наблюдение за его обращением во времени настолько маловероятно, что становится практически невозможным. Однако, когда производимая энтропия достаточно мала, существует ничтожно малая вероятность того, что обратное изменение времени явления произойдет естественным образом".

"В качестве примера можно привести последовательность действий, которые мы совершаем во время утренней ежедневной процедуры. Если бы нам показали, как наша зубная паста перемещается с зубной щетки обратно в тюбик, мы бы не сомневались, что это перемотанная запись нашего дня. Однако, если бы мы осторожно сжимали тюбик так, что выходила только небольшая часть зубной пасты, то не так уж маловероятно было бы наблюдать, как она снова попадает в тюбик, всасываясь при его разжатии".

Авторы исследования под руководством профессора Каслава Брюкнера из Венского университета и IQOQI-Vienna применили эту идею к квантовой области, одной из особенностей которой является принцип квантовой суперпозиции, согласно которому если два состояния квантовой системы возможны, то эта система может находиться в обоих состояниях одновременно.

Доктор Рубино сказал: "Если распространить этот принцип на стрелы времени, то получится, что квантовые системы, эволюционирующие в одном или другом временном направлении (зубная паста выходит из тюбика или возвращается в него), могут также оказаться одновременно эволюционирующими в обоих временных направлениях".

"Хотя эта идея кажется довольно бессмысленной в применении к нашему повседневному опыту, на самом фундаментальном уровне законы Вселенной основаны на квантово-механических принципах. В связи с этим возникает вопрос, почему мы никогда не сталкиваемся с такими суперпозициями временных потоков в природе".

Доктор Гонсало Манзано, соавтор работы из Университета Балеарских островов, подчеркнул: "В нашей работе мы количественно оценили энтропию, производимую системой, развивающейся в квантовой суперпозиции процессов с противоположными направлениями времени. Мы обнаружили, что чаще всего это приводит к проецированию системы на четко определенное направление времени, соответствующее наиболее вероятному процессу из двух. И все же, когда речь идет о малом количестве энтропии (например, когда зубной пасты пролито так мало, что можно наблюдать ее повторное впитывание в тюбик), то можно физически наблюдать последствия того, что система развивалась одновременно по прямому и обратному временным направлениям".

Помимо фундаментальной особенности, что само время может быть не вполне определенным, работа также имеет практические последствия для квантовой термодинамики. Помещение квантовой системы в суперпозицию альтернативных временных направлений может дать преимущества в работе тепловых машин и холодильников.

Доктор Рубино добавила: "Хотя время часто рассматривается как непрерывно возрастающий параметр, наше исследование показывает, что законы, управляющие его течением в квантово-механических контекстах, гораздо сложнее. Это может означать, что нам необходимо переосмыслить способ представления этой величины во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль".