Физики обнаружили доказательства существования двух стрел времени, возникающих из квантовой области

Представьте себе мир, где разбитая чашка может собраться обратно, а разлитое молоко — вернуться в стакан. На уровне обыденной реальности это кажется абсурдом. Но на квантовом уровне, как выяснили исследователи из Суррейского университета, время может течь как вперёд, так и назад с равной вероятностью.

Столетиями учёные ломали голову над так называемой стрелой времени — представлением о том, что время необратимо движется от прошлого к будущему. В нашей повседневной жизни это очевидно. Но фундаментальные законы физики, как ни странно, не отдают предпочтения ни одному из направлений. Уравнения работают одинаково, движется время вперёд или вспять.

Доктор Андреа Рокко, доцент кафедры физики и математической биологии Суррейского университета и ведущий автор исследования, объясняет эту загадку на простом примере. Когда вы смотрите на разлившееся по столу молоко, вы сразу понимаете, что время движется вперёд. Если бы вы прокрутили эту сцену задом наперёд, как в кино, вы бы мгновенно заметили подвох — молоко не может само собраться обратно в стакан. Однако есть процессы, например движение маятника, которые выглядят одинаково правдоподобно как в прямом, так и в обратном направлении. Загадка в том, что на самом фундаментальном уровне законы физики больше похожи на маятник — они не учитывают необратимых процессов. Новое исследование предполагает: хотя повседневный опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении, мы просто не осознаём, что противоположное направление было бы в равной степени возможным.

Работа, опубликованная в журнале Scientific Reports, изучала, как квантовая система — мир субатомных частиц — взаимодействует со своим окружением. Это явление физики называют «открытой квантовой системой». Исследователи задались вопросом: почему мы воспринимаем время как движущееся в одном направлении и возникает ли это восприятие из самой механики открытых квантовых систем?

Чтобы упростить задачу, команда сделала два ключевых допущения. Во-первых, они «обнулили» огромное окружение таким образом, что смогли сосредоточиться только на самой квантовой системе. Во-вторых, они предположили, что окружение — подобное всей вселенной — настолько велико, что энергия и информация рассеиваются в нём безвозвратно. Этот подход позволил им проверить, как время возникает как одностороннее явление, несмотря на то, что на микроскопическом уровне время теоретически могло бы двигаться в обоих направлениях.

И тут произошло неожиданное. Даже после применения этих допущений система вела себя одинаково — независимо от того, двигалось ли время вперёд или назад. Это открытие дало математическое обоснование идее, что симметрия обращения времени сохраняется даже в открытых квантовых системах. Иными словами, стрела времени может быть не такой фиксированной, какой мы её ощущаем.

Томас Гуфф, постдокторант, проводивший расчёты, признаётся: самой удивительной частью проекта стало то, что даже после упрощения уравнений, описывающих открытые квантовые системы, уравнения вели себя одинаково при движении системы как вперёд, так и назад во времени. Когда они тщательно проработали математику, выяснилось, что это поведение неизбежно, потому что ключевая часть уравнения — так называемое «ядро памяти» — симметрична во времени. Исследователи также обнаружили небольшую, но важную деталь, которую обычно упускают из виду: возник разрывной во времени фактор, который сохраняет свойство временной симметрии нетронутым. По словам Гуффа, видеть такой математический механизм в физическом уравнении необычно, потому что он не является непрерывным, и было очень удивительно наблюдать, как он возникает так естественно.

Это исследование предлагает свежий взгляд на одну из величайших загадок физики. Понимание истинной природы времени может иметь глубокие последствия для квантовой механики, космологии и не только. Если время на фундаментальном уровне действительно симметрично, то наше восприятие его необратимости может быть не более чем иллюзией, порождённой нашим макроскопическим масштабом и взаимодействием с огромным окружением.

Вопрос, который остаётся без ответа, можно сформулировать так: если квантовое время одинаково легко течёт в обе стороны, почему в нашем повседневном мире мы видим только одно направление? Где именно происходит переход от симметрии микроскопического мира к однонаправленности макроскопического опыта? И можно ли когда-нибудь использовать эту квантовую симметрию для практического контроля над временем — пусть даже в масштабах отдельных частиц? Исследователи продолжают искать ответы. А пока время, которое мы знаем, продолжает свой неумолимый бег вперёд — даже если за завесой квантовой реальности оно готово течь и в обратном направлении.