Оказалось, что в квантовом мире время может течь назад. А будущее влиять на прошлое. Звучит как абсурд, но такова наша странная реальность на уровне микромира.
Давайте посмотрим, как это возможно. А заодно попробуем понять - почему то, что возможно у микрочастиц, невозможно в нашей обычной жизни.
То есть почему в микромире «фарш возможно провернуть назад», а в нашем - невозможно!? Что именно мешает повторить это на уровне привычных нам объектов.
Внимание! В этой статье будет много из современной квантовой физики. Но обещаю рассказать ее суть максимально просто, буквально, на пальцах (примерах из жизни).
Три известных математика показали: уравнения, описывающие эволюцию квантовой системы, симметричны по времени. То есть их можно запустить как вперёд, так и назад – и всё будет работать. Результаты исследования были опубликованы в статье в научном журнале Nature.
В привычном мире шуточный аргумент «фарш невозможно провернуть назад» работает. Здесь еще можно подтянуть популярное клише про историю, которая не знает сослагательного наклонения.
Но в квантовом масштабе всё иначе: там обратное течение времени возможно.
И это - парадокс! Ведь квантовый мир - фактически, мир мелких частиц из которого состоит всё, что мы видим. Но при этом, в нашем мире ничего подобного не происходит - мы прекрасно видим, что время идет вперед, что никаких перемещений в прошлое не происходит. Есть так называемая стрела времени - то есть время направлено в одно направление, в будущее!
Давайте попробуем понять, почему так происходит. Если в квантовом мире «откат» событий возможен, почему ваша разбитая кружка не собирается обратно?
Почему чашка не собирается из осколков
Вот в этом и разница между квантовой механикой и реальностью вокруг нас. Законы физики позволяют процессу пойти вспять, но есть один надзиратель, который всё портит, – энтропия.
Энтропия – это мера хаоса в физике.
Наглядная иллюстрация энтропии выглядит так.
Представьте себе книги, стоящие на полке. Это - низкая энтропия. А вот те же книги, разбросанные по комнате, – высокая энтропия.
И по второму закону термодинамики хаос всегда растёт. То есть растет энтропия. Поэтому в макромире мы видим только одно направление времени – вперёд. Отсюда напрашивается и еще один вывод, на этот раз печальный - состояние хаоса во Вселенной со временем всё будет увеличиваться. Проще говоря - превращаться в бардак.
Для электрона или фотона энтропия может оставаться неизменной, и тогда возможен «возврат». Но для стакана воды или вашей кухни после вечеринки – увы. Среда вмешивается, и происходит декогеренция.
Декогеренцией называют процесс, когда квантовая система теряет свои необычные свойства, такие как суперпозиция и запутанность (о них чуть позднее). И происходит это из-за взаимодействия с окружающей средой.
Эксперимент с газом. Представьте сосуд, разделенный перегородкой. В одной части - вакуум, во второй - газ. Если убрать перегородку между двумя половинами сосуда, газ равномерно распределится. Сам по себе он обратно в половину сосуда не «запрыгнет». Получается, что раньше был «порядок» (четко разделен сосуд на две части), и он превратился в хаос (хаотичные движения молекул газа по всему сосуду). Это и есть рост энтропии.
Молекулы газа хаотично разбежались по всей колбе. Похожая сцена была когда я открывал чипсы в общаге.
Жуткое дальнодействие
Квантовая запутанность – это когда две частицы так тесно связаны, что судьба одной моментально определяет судьбу другой, даже если их разделяют километры или даже световые годы.
Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием». Но никакой магии тут нет: просто обе частицы – части одной системы, описываемой общей волновой функцией.
Как же так, частицы мгновенно реагируют на огромном расстоянии. Нет ли здесь противоречия с важным правилам в физике, что скорость света в природе - это максимальная скорость в принципе?
Такая связь не нарушает теорию относительности – информация же напрямую не передаётся, нет взаимодействия (а скорость света - это максимальная скорость именно взаимодействия). Грубо говоря, это не телеграмма летит быстрее света, а просто происходит синхронный «щелчок» в обеих частях системы. Как-будто эти частицы заранее договорились, как и когда будут поступать.
Когда мы измеряем одну частицу, результат отражается на другой не только в пространстве, но и во времени. Законы квантовой физики обратимы. Поэтому состояния легко могут распространяться назад.
Помните историю Алисы в Зазеркалье? Это идеальная иллюстрация, как это работает в квантовой физике:
— А-а-а-а! — кричала Королева. — Кровь из пальца! Хлещет кровь!
— Что случилось? — спросила Алиса, как только Королева замолчала, чтобы набрать воздуха в легкие. — Вы укололи палец?
— Еще не уколола, — сказала Королева, — но сейчас уколю! А-а-а!
— Когда вы собираетесь сделать это? — спросила Алиса, с трудом сдерживая смех.
— Сейчас буду закалывать шаль и уколю, — простонала бедная Королева. — Брошка отколется сию минуту! А-а-а-а!
Для математического доказательства времени группа математиков использовала марковские процессы и пришла к выводу: теоретически может существовать альтернативная Вселенная, где время течёт от будущего к прошлому.
«Наряду с нашей Вселенной могла возникнуть и другая, где время течёт вспять».
Марковские процессы — это математические модели, которые описывают, как система переходит из одного состояния в другое по определённым правилам вероятности. Важная их особенность - для системы не важна история, какие были состояния до этого. Важно только текущее состояние.
Королева в «Зазеркалье»: «Я ещё не уколола палец, но кровь уже течёт!».
Да-да, у меня так же: ещё не заказал шаурму, а майонез уже на штанах.
Цитата из Nature: «Для отдельной частицы нет разницы, куда течёт время – вперёд или назад».
А теперь представьте, что на этом принципе можно строить технологии будущего – от сверхточных сенсоров до «отката» вычислений назад. Можно будет строить идеальные мощные квантовые суперкомпьютеры.
Сама мысль о том, что будущее влияет на прошлое, меняет всё: причинность перестаёт быть односторонней, а время – жёстким потоком.
Может, время – не река, а паутина. Мы ползём по одной ниточке, видя только свой путь, но вся сеть уже есть – с прошлым, будущим и параллельными маршрутами. И открытия последних лет показывают: квантовая физика уже дотронулась до этих нитей.
Вопрос только в том, решимся ли мы когда-нибудь пройти в другую сторону.