В 2019 году мир облетела новость: международная группа ученых заявила, что им удалось «обратить время вспять» в эксперименте с квантовым компьютером. Хотя заголовки звучали сенсационно, реальность оказалась сложнее и интереснее.
Ученые из моего родного Московского физико-технического института (МФТИ), ETH Zurich и Аргоннской национальной лаборатории смоделировали на квантовом компьютере IBM процесс, при котором состояние частиц вернулось в прошлую конфигурацию. Они использовали кубиты (квантовые биты), находящиеся в суперпозиции, и наблюдали их эволюцию. Специально подобранные воздействия заставили систему «отмотать» своё состояние назад, подобно тому, как разбитые чашки могли бы собраться в целые. Фактически на квантовом уровне это было маленьким путешествием в прошлое. Но важно подчеркнуть несколько нюансов, чтобы у вас не сложилось неправильное мнение о том, что скоро учёные изобретут машину времени и можно будет махнуть на 100 лет назад и посмотреть, как жили наши прадедушки во времена НЭПа.
Ученые искусственно воссоздали условия, при которых уравнение Шрёдингера (основа квантовой механики) допускает обратную эволюцию. В изолированной системе, без влияния внешней среды, квантовые состояния могут развиваться как вперед, так и назад во времени. Это не нарушает второй закон термодинамики, так как эксперимент проводился в строго контролируемых условиях. Квантовые частицы словно существуют вне привычного нам временного потока.
В нашем же реальном макромире ключевым фактором, определяющим направленность времени является такое понятие, как энтропия. Этот физический параметр отражает степень упорядоченности системы и одновременно служит мерой потерянной информации.
В момент своего возникновения Вселенная находилась в состоянии минимальной энтропии, характеризующемся высокой степенью организации. С тех пор система неуклонно движется к состоянию возрастающего хаоса, постепенно утрачивая информацию о своих предыдущих конфигурациях.
Свидетельством этих изменений служат различные следы прошлого. Так, лунная поверхность хранит отпечаток своей истории в виде многочисленных кратеров, рассказывающих о столкновениях с небесными телами и свидетельствующих о более “гладком” состоянии в прошлом.
Подобные следы прошлого формируют то, что мы называем памятью системы. А фундаментальное стремление всех физических систем к увеличению энтропии создаёт ту самую стрелу времени, которую мы все с вами чувствуем (знаем, что было в прошлом, но не может заглянуть в будущее) определяющую однонаправленность нашего существования.
В макроскопическом мире энтропия (мера беспорядка) растёт, делая необратимыми такие процессы, как таяние льда. Однако в квантовых системах, где взаимодействие с окружением минимальна, возможно временное снижение энтропии. Исследователи использовали алгоритмы квантового компьютера, чтобы «перенаправить» волновую функцию кубитов в прошлое состояние, что эквивалентно локальному обращению времени.
И всё же, хотя эксперимент носит фундаментальный характер, он имеет и прикладные перспективы. Например, методы управления квантовыми состояниями помогут в разработке квантовой коррекции ошибок — ключевой технологии для создания стабильных квантовых компьютеров. Кроме того, это углубляет понимание квантовой термодинамики и процессов в наноразмерных системах.
Наверное для тех, кто далёк от физики всё это звучит очень непонятно, как если бы второклассники посадили на урок математики в 11 классе. Однако достижение вновь поднимает дискуссию о природе времени. Является ли его «стрела» фундаментальным свойством Вселенной или следствием статистических законов? По словам доктора Гордея Лесовика, соавтора исследования, «обращение времени в эксперименте не противоречит физическим законам, но показывает, как квантовая механика расширяет наши представления о возможном».
Короче говоря, эксперимент не позволяет вернуть прошлое в привычном смысле, но демонстрирует удивительную гибкость квантовых систем. Это шаг к пониманию того, как микроскопические законы связаны с макроскопической реальностью. Как отметил нобелевский лауреат Франк Вильчек, «время — самая загадочная переменная в физике, и квантовая механика продолжает удивлять нас новыми гранями этой тайны».
Таким образом, работа ученых — не триумф над временем, а напоминание о том, что квантовый мир полон парадоксов, бросающих вызов нашей интуиции. Исследования продолжаются, и кто знает, какие еще сюрпризы готовит нам квантовая Вселенная.
Если верить общей теории относительности, то она допускает решения, в которых из-за сильного искривления пространства-времени можно попасть в прошлое, двигаясь в будущее. Для создания такого искривления нужна материя с экзотическими свойствами, которая, возможно, запустила Большой взрыв, но с тех пор во Вселенной не наблюдается.
Если хоть что-то поняли или по крайней мере было интересно, подписывайтесь на мой Телеграм, а ниже ещё несколько интересных статей: