У повсякденному житті час здається нам незмінним і односпрямованим: минуле залишається позаду, а майбутнє — попереду. Теорія відносності, однак, показує, що швидкість перебігу часу залежить від гравітації та швидкості руху. А квантова механіка допускає ще незвичнішу можливість: за певних умов система може поводитися так, ніби час для неї рухається у зворотному напрямку.
Нове теоретичне дослідження фізиків Якіра Аароновa з Тель-Авівського університету та Авшалома Еліцура з Ізраїльського інституту перспективних досліджень показало, що таке ефективне «повернення часу» має обмеження. Для найпростішої моделі воно може тривати лише близько однієї фемтосекунди — квадрильйонної частки секунди.
Роботу опубліковано як препринт на платформі arXiv. Ідеться про математичну модель, а не про експериментально створений пристрій.
Як квантова механіка допускає рух часу назад
Ідея спирається на квантову суперпозицію — властивість системи перебувати в комбінації кількох можливих станів одночасно. Ще 1990 року Ааронов та його колеги запропонували концепцію квантової машини часових зсувів. Теоретично такий пристрій міг би змушувати систему поводитися так, ніби час для неї прискорився, зупинився або навіть пішов назад.
Уявімо квантовий годинник, який одночасно перебуває у двох положеннях із різною силою тяжіння. Через гравітаційне уповільнення часу в одному положенні годинник ішов би повільніше, ніж в іншому. Квантова механіка дозволяє цим двом варіантам існувати одночасно.
Якщо потім об’єднати обидві гілки системи, вони можуть взаємодіяти через квантову інтерференцію. Вибір певного результату цієї взаємодії, який називають постселекцією, теоретично дає змогу отримати ефект, що не відповідає жодному з двох початкових варіантів. Зокрема, система може поводитися так, ніби пережила від’ємний проміжок часу.
Чому зворотний перебіг швидко припиняється
Щоб з’ясувати, наскільки далеко може зайти такий ефект, дослідники розглянули процес спонтанного випромінювання атомів. Коли атом поглинає енергію, один із його електронів переходить на вищий енергетичний рівень. Згодом він повертається до нижчого стану, випускаючи фотон. За звичайних умов цей процес відбувається в одному напрямку.
Фізики запропонували перевіряти теоретичне «повернення часу» на групі атомів, частина яких уже випромінила світло. Якщо після проходження через квантову машину збудженими знову виявиться більше атомів, ніж було до цього, це означатиме ефективне відновлення частини попереднього стану.
Однак для такого результату потрібно врахувати не лише атоми, а й випущені ними фотони та навколишнє середовище. Тому в моделі всю систему помістили в герметичну камеру разом зі світлом, яке вона випромінює.
Навіть за таких умов виникає перешкода: взаємодія з електромагнітним полем залишає в навколишньому середовищі інформацію про те, що відбулося. Через це квантова узгодженість, необхідна для інтерференції двох можливих історій системи, поступово втрачається.
У розглянутому оптичному прикладі відповідне вікно становить приблизно одну фемтосекунду. Після цього середовище зберігає надто багато інформації про випромінювання, щоб найпростіша модель могла забезпечити бажаний ефект.
Чи суперечить це законам термодинаміки
На перший погляд, рух часу назад мав би суперечити другому закону термодинаміки, згідно з яким ентропія ізольованої системи не може зменшуватися. Саме з цим законом пов’язують напрямок багатьох незворотних процесів у природі.
Проте дослідники вказують на роль постселекції. Ефект зворотного часу виникає лише для дуже невеликої частини можливих результатів, які спеціально відбирають. Якщо врахувати всі результати, система загалом і далі підкоряється другому закону термодинаміки.
Складніші варіанти квантової машини теоретично могли б забезпечити зворотний ефект протягом довшого часу. Але для цього знадобилося б значно більше квантових гілок, а ймовірність успіху ставала б дедалі меншою.
Головна цінність роботи полягає не в перспективі створення машини для подорожей у минуле. Вона допомагає дослідити фундаментальніше питання: чому фізичні процеси, рівняння яких часто допускають рух у часі в обох напрямках, у реальному світі мають чітку часову спрямованість.
Як підсумовують автори, саме там, де така машина перестає працювати, і проявляється стріла часу.