Физики изо всех сил пытались понять природу времени с момента возникновения этой области. Но новое теоретическое исследование предполагает, что время может быть иллюзией, сотканной на квантовом уровне.
Ученые предполагают, что время может быть не фундаментальным элементом Вселенной, а скорее иллюзией, возникающей из квантовой запутанности.
Время — непростая проблема для физиков; его противоречивое определение между нашими лучшими теориями Вселенной заводит в тупик, не позволяя исследователям найти «теорию всего» или основу для объяснения всей физики во Вселенной.
Но в новом эксперименте исследователи предполагают, что они, возможно, нашли ключ к решению этой проблемы: сделав время следствием квантовой запутанности, странной связи между двумя далеко друг от друга частицами. Команда опубликовала свои выводы 10 мая в журнале Physical Review A.
«Существует способ ввести время, который согласуется как с классическими законами, так и с квантовыми законами и является проявлением запутанности», — рассказал Алессандро Коппо, физик из Национального исследовательского совета Италии. «Взаимосвязь между часами и системой порождает время, фундаментальный ингредиент нашей жизни».
В квантовой механике, нашей лучшей теории микроскопического мира, время — это фиксированное явление — неумолимый однонаправленный поток из прошлого в настоящее. Он остается внешним по отношению к причудливым и постоянно меняющимся квантовым системам, которые он измеряет, и его можно увидеть, только наблюдая за изменениями во внешних объектах, таких как стрелки часов.
Тем не менее, согласно теории общей относительности Эйнштейна, которая описывает более крупные объекты, такие как наши тела, звезды и галактики, время переплетено с пространством и может деформироваться и расширяться на высоких скоростях или в присутствии гравитации. Это ставит две наши лучшие теории реальности в фундаментальный тупик. Без ее разрешения последовательная теория всего останется недосягаемой.
«Похоже, что в квантовой теории существует серьезное противоречие», — сказал Коппо. «Это то, что мы называем проблемой времени».
Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к теории, называемой механизмом Пейджа и Вуттерса. Впервые предложенная в 1983 году, теория предполагает, что время возникает для одного объекта посредством его квантовой запутанности с другим, действующим как часы. С другой стороны, для незапутанной системы время не существует, и система воспринимает Вселенную как замороженную и неизменную.
Применив механизм Пейджа и Вуттерса к двум запутанным, но невзаимодействующим теоретическим квантовым состояниям (одно из которых представляет собой вибрирующий гармонический осциллятор, а другое — набор крошечных магнитов, действующих как часы), физики обнаружили, что их система может быть прекрасно описана уравнением Шредингера, которое предсказывает поведение квантовых объектов. Однако вместо времени их версия знаменитого уравнения работала в соответствии с состояниями крошечных магнитов, действующих как часы.
Они повторили свои расчеты дважды, предполагая сначала, что магнитные часы, а затем гармонический осциллятор представляют собой макроскопические (более крупные) объекты. Их уравнения упростились до уравнений классической физики, предполагая, что течение времени является следствием запутанности даже для объектов больших масштабов.
«Мы твердо убеждены, что правильное и логичное направление — начать с квантовой физики и понять, как достичь классической физики, а не наоборот», — сказал Коппо.
Другие физики выразили осторожность. Несмотря на то, что механизм Пейджа и Вуттерса показался увлекательной идеей квантового происхождения времени, они заявили, что он еще не дал ничего, что можно было бы проверить.
«Да, математически логично думать о всемирном времени как о запутанности между квантовыми полями и квантовыми состояниями трехмерного пространства», — сказал Влатко Ведрал, профессор квантовой информатики в Оксфордском университете. «Однако никто не знает, выйдет ли из этой картины что-нибудь новое или плодотворное, например, модификации квантовой физики и общей теории относительности, а также соответствующие экспериментальные испытания».
Несмотря на эти сомнения, построение с нуля теорий времени на основе квантовой механики, тем не менее, может быть многообещающим началом — при условии, что они могут быть адаптированы к экспериментам.
«Может быть, в запутанности есть что-то такое, где она играет роль», — сказал Адам Франк, физик-теоретик из Университета Рочестера в Нью-Йорке. «Может быть, единственный способ понять время не с точки зрения какого-то божественного ока, - а изнутри, с точки зрения вопроса, что такого особенного есть в жизни, что проявляется в такой именно в видимости мира».