Мы привыкли считать, что время течет неумолимо. Мы сверяемся с часами, планируем встречи и жалеем об ушедших минутах. Но что, если все это — лишь ловкий трюк нашего сознания? Что, если в основе мироздания нет никакого «потока», а прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно, застыв в одной гигантской квантовой структуре?
Эта безумная идея больше не является уделом фантастов. Приблизительно 40 лет назад два физика предложили смелую гипотезу: время — это иллюзия, порожденная квантовой запутанностью. Тогда их теорию сочли красивой, но лишь игрой ума. Сегодня же, благодаря экспериментам с атомными часами и новому взгляду на черные дыры, ученые вплотную приблизились к тому, чтобы либо подтвердить эту гипотезу, либо окончательно похоронить ее.
Физика оказалась в сложном положении. Если открыть любой учебник и посмотреть на законы, описывающие мир, то время там если и присутствует, то чувствует себя на страницах книги как-то неуверенно.
Классическая физика, заложенная еще Ньютоном, рассматривала время как прямую линию, по которой равномерно движутся все объекты. Но уже в конце 19 века появилась первая трещина. Второе начало термодинамики гласит: энтропия, то есть мера хаоса, в замкнутой системе может только расти. Именно поэтому молоко не может само отделиться от кофе, а разбитая чашка — собраться обратно. Этот закон указывает направление времени, но не объясняет его природу. Он лишь говорит, что мир движется от порядка к беспорядку, но умалчивает, почему он вообще движется.
Затем пришел Альберт Эйнштейн. Его общая теория относительности нанесла по устоявшимся представлениям сокрушительный удар. Оказалось, что время не является универсальной константой. Оно слилось с пространством в единую четырехмерную ткань, которая искривляется под действием массы и скорости. Это порождает эффекты, ломающие здравый смысл: на вершине горы, где гравитация чуть слабее, время течет быстрее, чем на уровне моря. А если два объекта движутся с огромной скоростью, наблюдатели могут не сойтись во мнении, какое из двух событий произошло раньше. Сам Эйнштейн считал, что единственный способ примириться с этим — признать, что прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно, подобно страницам книги, переплетенным вместе.
Но если теория относительности сделала время гибким, то квантовая механика едва не уничтожила его совсем. В квантовом мире время не является встроенной частью уравнения. Оно словно добавлено позже, как внешний параметр, который просто тикает где-то на заднем плане. Теория оперирует измерениями: мы можем измерить положение частицы, ее импульс, энергию. Но измерить «время частицы» нельзя. У нее его просто нет. Время здесь — белая ворона. Оно выглядит как элемент, который мы вставили в теорию вручную, а не как естественное свойство квантовых систем.
Получается парадокс: в повседневной жизни время — это самое реальное, что у нас есть. А в фундаментальных уравнениях физики оно либо искажается до неузнаваемости, либо отсутствует вовсе. Именно это противоречие заставило ученых задаться радикальным вопросом: а существует ли время на самом деле?
В 1983 году два физика, Дон Пейдж и Уильям Вуттерс, предложили ответ, который поразил научное сообщество. Подобно Эйнштейну, они представили себе всю Вселенную как единый статичный объект. Но вместо книги они использовали образ гигантской квантовой волновой функции. Это математическая структура, которая содержит в себе все, чем Вселенная может быть: каждую частицу, каждое направление ее движения, каждое поле. В таком виде Вселенная не движется и не развивается. Она просто есть. Она вне времени.
Но как тогда мы ощущаем время? Пейдж и Вуттерс предположили, что эта застывшая структура разделена на две неразрывно связанные части. Первая часть — это все «содержимое» реальности: материя, энергия, все, что мы можем наблюдать. Вторая часть играет роль внутренних часов. Связующим звеном между ними выступает квантовая запутанность — то самое загадочное явление, при котором две частицы связаны так сильно, что изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, даже если их разделяют миллиарды километров.
Именно запутанность между «содержимым» и «часами» и создает для нас иллюзию течения времени. Представьте рукопись книги, лежащую на столе. В ней уже написано все: начало, середина и конец. Время для нее не существует. Но чтобы понять историю, мы должны читать страницы в правильном порядке. Для этого нужны номера страниц. Часы Пейджа и Вуттерса играют роль этих номеров. Сами по себе слова на странице (реальность) статичны. Сами по себе цифры в углу (часы) ничего не значат. Но вместе они создают повествование — развертывание событий во времени.
Долгое время эта теория оставалась красивой, но чисто умозрительной конструкцией. Однако в последние годы она получила неожиданную поддержку. В 2024 году Паола Веррукки из Национального исследовательского совета Италии создала математическую модель, основанную на механизме Пейджа-Вуттерса. Она запутала «часы», сделанные из массива крошечных магнитов, с квантовой системой, которая вела себя как пружина. Со стороны вся система оставалась неподвижной, с постоянной энергией. Но вот парадокс: относительно «часов» пружина начинала сжиматься и разжиматься, демонстрируя последовательность изменений во времени. И этот эффект не исчезал при увеличении системы. «Из этой модели можно вывести все известные нам уравнения движения, — говорит Веррукки. — Базовая предпосылка механизма работает».
Несмотря на красоту идеи, теория Пейджа и Вуттерса оставляла множество пробелов. Что это за гипотетические «часы»? Почему запутанность, которая обычно очень хрупка и легко разрушается, в этом случае создает непрерывный и плавный поток времени?
Ответы на эти вопросы неожиданно стали приходить из области квантовых технологий. Оказалось, что создание сверхточных часов упирается в фундаментальные ограничения, которые напрямую связаны с природой времени. В 2017 году группа исследователей сделала важное открытие: часы — это не пассивные измерительные приборы вроде линейки. Это скорее маленькие двигатели. Чтобы тикать, они тратят энергию и выделяют тепло. В обычной жизни этим можно пренебречь, но в квантовом мире даже малая крупица тепла способна нарушить их работу.
Маркус Хубер из Венского технического университета вместе с коллегами изучает, что происходит, когда часы доводят до этих квантовых пределов. «Мы пытаемся понять, что вообще такое часы, какие ресурсы им нужны для работы и каковы их ограничения», — говорит Хубер.
Чтобы понять его подход, нужно расширить само понятие часов. Часам не нужны стрелки и шестеренки. В принципе, время можно определять по тому, как остывает кофе или как покрывается морщинами кожа. Любой процесс, который создает необратимое событие, может служить часами. А необратимость, как мы помним, тесно связана с ростом энтропии и выделением тепла.
В 2021 году группа Хубера описала прямую зависимость: чем точнее часы, тем больше энтропии они производят. Часы, которые делят минуту на шестьдесят идеальных интервалов, «шумят» сильнее, чем те, что делят ее всего на три части. А в прошлом году они пошли еще дальше и создали часы, которые тикают благодаря случайным квантовым процессам. Эти часы работали, почти не выделяя тепла. Но и тут была ловушка. Как только ученые пытались считать с них показания — извлечь информацию — энтропия тут же возникала.
Хубер считает, что такие эксперименты помогут пересмотреть механизм Пейджа-Вуттерса. Ведь если «часы Вселенной» существуют, они должны подчиняться тем же законам термодинамики, что и атомные часы в лаборатории. Сейчас его команда разрабатывает эксперименты с запутанными облаками атомов, чтобы воспроизвести этот механизм и проверить, течет ли время в квантовых системах плавно или же идет дискретными шагами.
Пока одни ученые создают часы в лаборатории, другие ищут их в космосе. Паола Веррукки и ее коллега Алессандро Коппо задались вопросом: существует ли в природе объект, который мог бы играть роль идеальных часов из теории Пейджа-Вуттерса?
Они выделили три ключевых требования. Часы должны обладать огромной энергией, чтобы отслеживать динамику всей Вселенной. Они должны быть идеально изолированы от внешнего шума, чтобы их ход не сбивался. И при этом они должны уметь вступать в запутанность с тем, для чего они отсчитывают время.
В статье, опубликованной в этом году, Веррукки и Коппо заявили, что нашли такой объект. Это черные дыры. Они обладают колоссальной энергией. Их гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть горизонт событий, что делает их практически невзаимодействующими с внешним миром — идеальная изоляция. И, как показал Стивен Хокинг в 1970-х, черные дыры могут становиться запутанными с окружением. Пары частиц рождаются на горизонте событий: одна падает внутрь, другая улетает в виде излучения. Так внутренность дыры оказывается квантово связана с внешним миром. «Это идеальные часы, — утверждает Веррукки. — Вы не можете с ними взаимодействовать, но при этом можете быть с ними запутаны».
Если эта гипотеза верна, то роль таинственного «часового механизма» Вселенной играют черные дыры. И это тоже можно будет проверить. Если черная дыра — это квантовые часы, то ее тиканье должно оставлять следы в термодинамике излучения Хокинга, в том, как перемешивается информация и распространяются квантовые корреляции. Сейчас Веррукки и Коппо анализируют свою модель именно с этой точки зрения.
Post Scriptum
Все эти исследования ведут к одной и той же мысли: время, скорее всего, не фундаментальное свойство мира, а эмерджентное — то есть возникающее из более глубоких, безвременных законов. И здесь рождается еще более смелая идея.
Второе начало термодинамики гласит, что энтропия растет, но не объясняет, почему она вообще должна меняться. Она может оставаться постоянной. Паола Веррукки указывает на другой необратимый процесс в природе — квантовое измерение. До того, как мы измерим частицу, она существует как размытое облако вероятностей. В момент измерения это облако схлопывается в конкретное значение. И этот процесс нельзя обратить вспять.
Веррукки полагает, что именно здесь скрыта разгадка. Стрела времени может оказаться просто записью о том, что было измерено. Каждый раз, когда мы взаимодействуем с реальностью — а по сути, «измеряем» ее, — мы схлопываем одну из квантовых возможностей в конкретное событие, оставляя необратимый след. Перелистывая страницы космической книги, мы не просто читаем историю, мы ее создаем.
И если мы сами — такие же физические системы, записывающие информацию, а часы — это устройства, которые фиксируют эти записи, то грань между наблюдателем и временем стирается. Мы не просто сторонние свидетели течения минут и эпох. Возможно, каждый раз, бросая взгляд на наручные часы и спрашивая «Который час?», мы совершаем акт сотворения времени. «Вы создаете время в тот момент, когда спрашиваете, который час», — заключает Веррукки.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости