Рассказывает доцент кафедры физики Лейденского университета Флориан Нойкарт
Время кажется самой основной характеристикой реальности. Секунды тикают, дни проходят, и всё, от движения планет до человеческой памяти, кажется, разворачивается в одном, необратимом направлении. Мы рождаемся и умираем именно в таком порядке. Мы планируем свою жизнь, ориентируясь на время, измеряем его одержимо и воспринимаем как непрерывный поток из прошлого в будущее. Кажется настолько очевидным, что задавать вопросы о времени почти бессмысленно.
И все же, на протяжении более века физика пытается определить, что такое время на самом деле. Эта борьба — не философские придирки. Она лежит в основе некоторых из самых глубоких проблем науки.
Современная физика опирается на различные, но одинаково важные теоретические концепции. Одна из них — теория общей относительности Альберта Эйнштейна , описывающая гравитацию и движение крупных объектов, таких как планеты. Другая — квантовая механика , которая управляет микрокосмосом атомов и частиц. А в ещё большем масштабе стандартная космологическая модель описывает рождение и эволюцию Вселенной в целом. Все они основаны на времени, но рассматривают его по-разному.
Когда физики пытаются объединить эти теории в единую систему, время часто ведет себя неожиданным и тревожным образом. Иногда оно растягивается. Иногда замедляется. Иногда полностью исчезает.
Теория относительности Эйнштейна, по сути, стала первым серьезным ударом по нашему повседневному интуитивному представлению о времени. Эйнштейн показал, что время не является универсальным. Оно течет с разной скоростью в зависимости от гравитации и движения. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, будут расходиться во мнениях относительно того, какие события произошли одновременно. Время стало чем-то эластичным, сплетенным с пространством в четырехмерную ткань, называемую пространством-временем.
Квантовая механика сделала всё ещё более странным. В квантовой теории время не объясняется самой теорией. Оно просто предполагается. Уравнения квантовой механики описывают, как системы эволюционируют во времени, но само время остаётся внешним параметром, фоновыми часами, находящимися вне теории.
Это несоответствие становится особенно острым, когда физики пытаются описать гравитацию на квантовом уровне, что имеет решающее значение для разработки столь желанной теории всего , связывающей основные фундаментальные теории. Но во многих попытках создать такую теорию время как параметр полностью исчезает из фундаментальных уравнений. Вселенная кажется застывшей, описываемой уравнениями, которые не содержат отсылок к изменениям.
Эта загадка известна как проблема времени, и она остается одним из самых серьезных препятствий на пути к единой теории физики. Несмотря на огромный прогресс в космологии и физике элементарных частиц, нам до сих пор не хватает четкого объяснения того, почему время вообще течет.
Теперь же относительно новый подход к физике, основанный на математической модели, называемой теорией информации, разработанной Клодом Шенноном в 1940-х годах, начал давать неожиданные ответы.
Энтропия и стрела времени
Когда физики пытаются объяснить направление времени, они часто обращаются к понятию, называемому энтропией. Второй закон термодинамики гласит, что беспорядок имеет тенденцию к увеличению. Стакан может упасть и разбиться вдребезги, но осколки никогда не соберутся вместе спонтанно. Эта асимметрия между прошлым и будущим часто отождествляется со стрелой времени .
Эта идея оказала огромное влияние. Она объясняет, почему многие процессы необратимы, в том числе, почему мы помним прошлое, но не будущее. Если Вселенная началась в состоянии низкой энтропии и становится всё более хаотичной по мере своей эволюции, это, по-видимому, объясняет, почему время движется вперёд. Но энтропия не решает полностью проблему времени.
Во-первых, фундаментальные квантово-механические уравнения физики не различают прошлое и будущее. Стрела времени появляется только при рассмотрении большого числа частиц и статистического поведения. Это также поднимает более глубокий вопрос: почему Вселенная изначально находилась в состоянии с такой низкой энтропией? Статистически, существует больше способов для Вселенной иметь высокую энтропию, чем низкую, так же как существует больше способов для комнаты быть грязной, чем чистой. Так почему же она должна была начаться в таком маловероятном состоянии?
Информационная революция
За последние несколько десятилетий в физике произошла тихая, но далеко идущая революция. Информация, когда-то рассматривавшаяся как абстрактный инструмент учета, используемый для отслеживания состояний или вероятностей, все чаще признается самостоятельной физической величиной, подобно материи или излучению. В то время как энтропия измеряет количество возможных микроскопических состояний, информация измеряет, как физические взаимодействия ограничивают и фиксируют эти возможности.
Этот сдвиг не произошел в одночасье. Он развивался постепенно, под влиянием загадок на стыке термодинамики, квантовой механики и гравитации, где рассмотрение информации исключительно как математической начало порождать противоречия.
Одна из первых трещин появилась в физике черных дыр. Когда Стивен Хокинг показал , что черные дыры излучают тепловое излучение, это породило тревожную возможность: информация о том, что попадает в черную дыру, может быть безвозвратно потеряна в виде тепла. Этот вывод противоречил квантовой механике, которая требует сохранения всей информации.
Разрешение этого противоречия заставило физиков столкнуться с более глубокой истиной. Информация не является чем-то необязательным. Если мы хотим получить полное описание Вселенной, включающее квантовую механику, информация не может просто исчезнуть, не подорвав основы физики. Это осознание имело глубокие последствия. Стало ясно, что информация имеет термодинамическую цену, что её стирание рассеивает энергию и что её хранение требует физических ресурсов.
Параллельно с этим выявились удивительные связи между гравитацией и термодинамикой. Было показано, что уравнения Эйнштейна могут быть выведены из термодинамических принципов, которые напрямую связывают геометрию пространства-времени с энтропией и информацией. С этой точки зрения, гравитация ведет себя не совсем как фундаментальная сила.
Вместо этого гравитация, по-видимому, является тем, что физики называют «эмергентным» явлением — феноменом, описывающим нечто большее, чем сумма его частей, возникающим из более фундаментальных составляющих. Возьмем, к примеру, температуру. Мы все можем ее чувствовать, но на фундаментальном уровне отдельная частица не может иметь температуру. Это не фундаментальная характеристика. Вместо этого она возникает только в результате коллективного движения множества молекул.
Аналогичным образом, гравитацию можно описать как эмергентное явление, возникающее в результате статистических процессов. Некоторые физики даже предполагают, что сама гравитация может возникать из информации, отражая то, как информация распределяется, кодируется и обрабатывается.
Эти идеи предполагают радикальный сдвиг в перспективе. Вместо того чтобы рассматривать пространство-время как нечто первичное, а информацию как нечто, находящееся внутри него, информация может быть более фундаментальным компонентом, из которого возникает само пространство-время. Опираясь на эти исследования, мои коллеги и я разработали концепцию, в которой само пространство-время выступает в качестве носителя информации, и это имеет важные последствия для нашего восприятия времени.
В этом подходе пространство-время не является идеально гладким, как предполагает теория относительности, а состоит из дискретных элементов , каждый из которых обладает конечной способностью записывать квантовую информацию от проходящих частиц и полей. Эти элементы не являются битами в цифровом смысле, а представляют собой физические носители квантовой информации, способные сохранять память о прошлых взаимодействиях.
Удобный способ представить их — это вообразить пространство-время как материал, состоящий из крошечных, хранящих память ячеек. Подобно тому, как кристаллическая решетка может хранить дефекты, появившиеся ранее во времени, эти микроскопические элементы пространства-времени могут сохранять следы взаимодействий, прошедших через них. Они не являются частицами в обычном смысле, описываемом стандартной моделью физики элементарных частиц, а представляют собой более фундаментальный слой физической структуры, на который физика элементарных частиц воздействует, а не объясняет.
Это имеет важное значение. Если пространство-время записывает информацию, то его нынешнее состояние отражает не только то, что существует сейчас, но и всё, что происходило раньше. Области, которые пережили больше взаимодействий, несут в себе иной информационный отпечаток, чем области, которые пережили меньше. В этом смысле Вселенная не просто эволюционирует в соответствии с вечными законами, применяемыми к изменяющимся состояниям. Она помнит.
Записывающий космос
Эта память не метафорична. Каждое физическое взаимодействие оставляет информационный след. Хотя основные уравнения квантовой механики можно моделировать во времени вперед или назад, реальные взаимодействия никогда не происходят изолированно. Они неизбежно включают в себя окружающую среду, распространяют информацию наружу и оставляют неизгладимые записи о произошедшем. Как только эта информация распространится в более широкую среду, для ее восстановления потребуется отменить не только одно событие, но и все физические изменения, которые оно вызвало. На практике это невозможно.
Вот почему информацию нельзя стереть, а разбитые чашки не собираются заново. Но смысл гораздо глубже. Каждое взаимодействие вносит нечто постоянное в структуру Вселенной, будь то столкновение атомов или формирование галактик.
В этом представлении геометрия и информация оказываются тесно взаимосвязаны. В нашей работе мы показали, что искривление пространства-времени зависит не только от массы и энергии, как учил нас Эйнштейн, но и от распределения квантовой информации, в частности, запутанности. Запутанность — это квантовый процесс, который таинственным образом связывает частицы в удаленных областях пространства — он позволяет им обмениваться информацией, несмотря на расстояние. И эти информационные связи способствуют эффективной геометрии, которую испытывают материя и излучение.
С этой точки зрения, геометрия пространства-времени — это не просто реакция на то, что существует в данный момент, но и на то, что произошло. Области, в которых зафиксировано много взаимодействий, в среднем ведут себя так, как если бы они искривлялись сильнее, обладали большей гравитацией, чем области, в которых зафиксировано меньше взаимодействий.
Такое переосмысление тонко меняет роль пространства-времени. Вместо того чтобы быть нейтральной ареной, на которой разворачиваются события, пространство-время становится активным участником. Оно хранит информацию, ограничивает будущую динамику и формирует то, как могут происходить новые взаимодействия. Это, естественно, поднимает более глубокий вопрос. Если пространство-время записывает информацию, может ли время возникнуть в результате этого процесса записи, а не быть заданным с самого начала?
Время, возникающее из информации
Недавно мы распространили эту информационную перспективу на само время. Вместо того чтобы рассматривать время как фундаментальный фоновый параметр, мы показали, что временной порядок возникает из необратимого запечатления информации. С этой точки зрения, время — это не нечто, добавленное в физику вручную. Оно возникает потому, что информация записывается в физических процессах и, согласно известным законам термодинамики и квантовой физики, не может быть глобально отменена. Идея проста, но имеет далеко идущие последствия.
Каждое взаимодействие, например, столкновение двух частиц, записывает информацию во Вселенную. Эти отпечатки накапливаются. Поскольку их нельзя стереть, они определяют естественный порядок событий. Более ранние состояния — это состояния с меньшим количеством информационных записей. Более поздние состояния — это состояния с большим количеством записей.
Квантовые уравнения не отдают предпочтение какому-либо направлению времени, в отличие от процесса распространения информации. После того как информация распространена, физического пути обратно к состоянию, в котором она была локализована, не существует. Поэтому временной порядок основан на этой необратимости, а не на самих уравнениях.
В этом понимании время не существует независимо от физических процессов. Это совокупная запись всего, что произошло. Каждое взаимодействие добавляет новую запись, и стрела времени отражает тот факт, что эта запись только растет.
Будущее отличается от прошлого тем, что Вселенная содержит больше информации о прошлом, чем когда-либо сможет содержать о будущем. Это объясняет, почему время имеет направление, без опоры на особые начальные условия с низкой энтропией или чисто статистические аргументы. Пока происходят взаимодействия и информация необратимо записывается, время движется вперед.
Интересно, что этот накопленный информационный отпечаток может иметь наблюдаемые последствия. В галактических масштабах остаточный информационный отпечаток ведет себя как дополнительная гравитационная составляющая , формируя вращение галактик без привлечения новых частиц. Действительно, неизвестное вещество, называемое темной материей, было введено для объяснения того, почему галактики и скопления галактик вращаются быстрее, чем это позволяет их видимая масса.
В информационной модели это дополнительное гравитационное притяжение возникает не от невидимой темной материи, а от того факта, что само пространство-время хранит долгую историю взаимодействий. Области, накопившие больше информационных отпечатков, сильнее реагируют на движение и искривление, эффективно усиливая свою гравитацию. Звезды вращаются быстрее не потому, что у них больше массы, а потому, что пространство-время, в котором они движутся, несет в себе более тяжелую информационную память о прошлых взаимодействиях.
С этой точки зрения, темная материя, темная энергия и стрела времени могут возникать из одного и того же фундаментального процесса: необратимого накопления информации.
Время тестирования
Но сможем ли мы когда-нибудь проверить эту теорию? Представления о времени часто обвиняют в философском, а не научном характере. Поскольку время так тесно переплетено с тем, как мы описываем изменения, легко предположить, что любая попытка переосмыслить его должна оставаться абстрактной. Однако информационный подход позволяет делать конкретные прогнозы и напрямую связан с системами, которые мы можем наблюдать, моделировать и в некоторых случаях экспериментально исследовать.
Черные дыры представляют собой естественный полигон для испытаний, поскольку, как кажется, они предполагают стирание информации. В информационной модели этот конфликт разрешается признанием того, что информация не уничтожается, а запечатлевается в пространстве-времени до пересечения горизонта. Черная дыра ее фиксирует.
Это имеет важное значение для времени. По мере того, как материя движется к черной дыре, взаимодействия усиливаются, а процесс запечатления информации ускоряется. Время продолжает двигаться вперед локально, потому что информация продолжает записываться, даже когда классические представления о пространстве и времени перестают работать вблизи горизонта и кажутся замедленными или застывшими для наблюдателей издалека.
По мере того, как черная дыра испаряется под воздействием излучения Хокинга, накопленная информационная запись не исчезает. Вместо этого она влияет на характер излучения. Излучение должно нести в себе тонкие признаки, отражающие историю черной дыры. Другими словами, исходящее излучение не является абсолютно случайным. Его структура формируется информацией, ранее записанной в пространстве-времени. Обнаружение таких признаков пока недоступно для современных технологий, но они представляют собой четкую цель для будущих теоретических и наблюдательных исследований.
Те же принципы можно исследовать в гораздо меньших, контролируемых системах. В лабораторных экспериментах с квантовыми компьютерами кубиты (квантовый эквивалент битов) можно рассматривать как информационные ячейки конечной емкости, подобно ячейкам пространства-времени. Исследователи показали, что даже когда лежащие в основе квантовые уравнения обратимы, способ записи, распространения и извлечения информации может генерировать эффективную стрелу времени в лабораторных условиях . Эти эксперименты позволяют физикам проверять, как ограничения хранения информации влияют на обратимость, без необходимости использования космологических или астрофизических систем.
Расширения той же концептуальной модели предполагают, что информационная импринтинговая функция не ограничивается гравитацией. Она может играть роль во всех фундаментальных силах природы , включая электромагнетизм и ядерные силы. Если это верно, то стрела времени в конечном итоге должна быть прослежена до того, как все взаимодействия записывают информацию, а не только гравитационные. Проверка этого потребовала бы поиска пределов обратимости или восстановления информации в различных физических процессах.
Взятые вместе, эти примеры показывают, что информационное время — это не абстрактная переинтерпретация. Оно связывает черные дыры, квантовые эксперименты и фундаментальные взаимодействия посредством общего физического механизма, который можно исследовать, ограничивать и потенциально опровергать по мере расширения наших экспериментальных возможностей.
Что такое время на самом деле
Представления об информации не заменяют теорию относительности или квантовую механику. В повседневных условиях информационное время точно соответствует времени, измеряемому часами. Для большинства практических целей привычная картина времени работает чрезвычайно хорошо. Разница проявляется в тех случаях, когда традиционные описания оказываются неэффективными.
Вблизи горизонтов черных дыр или в самые ранние моменты существования Вселенной обычное понятие времени как гладкой внешней координаты становится неоднозначным. Информационное время, напротив, остается четко определенным до тех пор, пока происходят взаимодействия и информация необратимо записывается.
Всё это может заставить вас задуматься о том, что же такое время на самом деле. Этот сдвиг переосмысливает давний спор. Вопрос больше не в том, следует ли считать время фундаментальным элементом Вселенной, а в том, отражает ли оно более глубокий, лежащий в его основе процесс.
Согласно этой точке зрения, стрела времени может естественным образом возникать из физических взаимодействий, которые фиксируют информацию и не могут быть отменены. Таким образом, время — это не таинственный фоновый параметр, отделенный от физики. Это нечто, что Вселенная генерирует внутри себя посредством собственной динамики. В конечном счете, оно не является фундаментальной частью реальности, а возникает из более основных составляющих, таких как информация.
Станет ли эта концепция окончательным ответом или лишь ступенькой на пути к цели, покажет время. Как и многие идеи в фундаментальной физике, её успех или провал будут зависеть от того, насколько хорошо она свяжет теорию с наблюдениями. Но она уже сейчас указывает на поразительное изменение перспективы.
Вселенная не просто существует во времени. Время — это то, что Вселенная непрерывно записывает в себя.
© Перевод с английского Александра Жабского.