До початку хх століття вважалося, що час-є величина абсолютна. Але після того, як альберт ейнштейн опублікував загальну теорію відносності( ото), стало зрозуміло, що час – поняття більш суб’єктивне і має відношення до спостерігача, який його вимірює. І все ж, багато хто продовжував трактувати час так, немов це пряма залізнична лінія, рухатися по якій можна тільки вперед або назад. Але що, якщо ця залізнична лінія галузиться або зовсім має окружні колії, рухаючись по яких поїзд повертається на станцію, яку вже проїжджав? іншими словами, чи можна подорожувати в майбутнє або минуле? починаючи зі знаменитого роману герберта уеллса «машина часу”, наукові фантасти надаються фантазіям у всю. Але в реальному житті уявити щось подібне неможливо. Адже якби хтось в майбутньому винайшов машину часу, невже він би не попередив нас про загрозу пандемії covid-19 або про жахливі наслідки глобального потепління? але до нас так ніхто і не прибув. Бути може, варто подивитися на час під іншим кутом?

Закони квантового світу дуже сильно відрізняються від тих, що ми можемо безпосередньо спостерігати

Квантова механіка – розділ теоретичної фізики, що описує фізичні явища, дія в яких порівнянна за величиною з постійною планка.

Хід часу

Наше поняття часу сходить до картини, описаної ісааком ньютоном: стріла часу рухається тільки вперед, позбавляючи нас будь-якої можливості повернутися назад, в минуле. У той же самий час отг свідчить, що хід часу різний для спостерігачів в різних гравітаційних полях.

Це означає, що у поверхні землі час тече повільніше, так як сила гравітації на планеті сильніше, ніж на орбіті. І чим сильніше гравітаційне поле, тим більше цей ефект. Детальніше про те, чому час на вершині гори і на пляжі тече по-різному, можна прочитати тут.

Виходить, закони руху ньютона поклали край ідеї абсолютного положення часу в просторі, а теорія відносності і зовсім поставила на цій ідеї хрест. Більш того, як пишуть у своїй книзі «найкоротша історія часу» фізики стівен хокінг і леонард млодінов, подорожі в часі можливі.

Обкладинка чудової книги стівена хокінга і леонарда млодінова, настійно рекомендуємо до прочитання

Теорія відносності показує, що створення машини часу, здатної перемістити нас в майбутнє дійсно можливо. Все, що потрібно зробити після її створення – увійти всередину, почекати деякий час, а потім вийти – і виявити, що на землі час йшов інакше, ніж для вас. Тобто набагато швидше. Безумовно, ніхто на планеті не володіє подібними технологіями, але їх поява – питання часу. Адже якщо гарненько подумати, то що потрібно для винаходу такої машини?

По-перше, вона повинна розганятися до близькосвітлових швидкостей (нагадаю, що швидкість світла досягає 300 000 км/с), а по-друге, слід згадати знаменитий парадокс близнюків, за допомогою якого фізики намагаються довести суперечливість спеціальної теорії відносності, яка свідчить, що з точки зору «нерухомих» спостерігачів всі процеси у рухаються об’єктів сповільнюються.

Альберт ейнштейн опублікував теорію відносності 106 років тому.

Трохи прояснимо – даний спосіб передбачає, що машина часу, в яку ви увійшли, злітає, розганяється до навколосвітньої швидкості, рухається так якийсь час (в залежності від того, як далеко вперед у часі ви прямуєте) і потім повертається назад. Коли подорож закінчується, покинувши машину часу ви розумієте, що для вас пройшло набагато менше часу, ніж для всіх жителів землі – ви здійснили подорож у майбутнє. Але якщо відтепер ми сприймаємо час по-іншому, можливо, закони фізики підкажуть, як подорожувати в минуле?

Чи можна вирушити в минуле?

Перший натяк на те, що людина може здійснювати подорожі в часі, з’явився в 1949 році, коли австрійський математик курт гедель знайшов нове рішення рівнянь ейнштейна. Або нову структуру простору-часу, допустиму з точки зору ото.

Взагалі, говорячи про рівняння ейнштейна, важливо розуміти, що вони задовольняють безліч різних математичних моделей всесвіту. Ці моделі розрізняються, наприклад, початковими або граничними умовами.

І щоб зрозуміти, чи відповідають вони всесвіту, в якому ми живемо, ми повинні перевірити їх фізичні передбачення.

До речі, якщо ви давно не переглядали «назад в майбутнє» – саме час)

Гедель, будучи математиком, прославився тим, що довів – не всі справжні твердження можна довести, навіть якщо справа зводиться до спроби довести всі справжні твердження, наприклад, за допомогою простої арифметики. Таким чином, подібно до принципу невизначеності, теорема геделя про неповноту може бути фундаментальним обмеженням нашої здатності пізнавати і передбачати всесвіт.

принцип невизначеності – принцип, сформульований гейзенбергом і стверджує, що не можна одночасно точно визначити і положення, і швидкість частинки; чим точніше ми знаємо одне, тим менш точно інше.

Цікаво, що простір-час геделя мав цікаву особливість: всесвіт в його уявленні оберталася як ціле. А ось ейнштейн був дуже засмучений тим, що його рівняння допускають подібне рішення. Загальна теорія відносності в його розумінні не повинна дозволяти подорожі в часі. Рівняння геделя, однак, не відповідає всесвіту, в якому ми живемо, але його праця дозволила світу поглянути на час (а заодно і на всесвіт) інакше.

Отже, простір-час, як відомо, тісно взаємопов’язані. Це означає, що питання про подорожі в часі переплітається з проблемою переміщення на швидкостях, що перевищують 300 000 км / с, тобто швидкість світла. А коли мова заходить про фотонах, загальна теорія відносності, на жаль, йде на задній план, а її місце займає квантова механіка.

Перехід на квантовий рівень

Не так давно команда фізиків з університетів відня, брістоля, балеарських островів та інституту квантової оптики та квантової інформації (iqoqi-відень) показала, як квантові системи можуть одночасно розвиватися за двома протилежними часовими стрільцями (вперед і назад у часі). Іншими словами, квантові системи можуть рухатися як вперед, так і назад у часі .

Квантові системи можуть рухатися як вперед, так і назад у часі

Раніше, щоб зрозуміти чому, вчені встановили, що час знає тільки один напрямок — вперед. Так що нам з вами доведеться згадати другий закон термодинаміки . Він говорить, що в замкнутій системі ентропія системи (тобто міра безладу і випадковості всередині системи) залишається постійною або збільшується.

Якщо наша всесвіт являє собою замкнутий цикл, згорнутий в клубок, її ентропія ніколи не може зменшитися, а це означає, що всесвіт ніколи не повернеться в більш ранню точку. Але що, якби стріла часу “подивилася” на явища, де зміни ентропії невеликі?

Другий закон термодинаміки – це статистичний закон, в середньому вірний для макроскопічної системи. У мікроскопічній системі ми можемо бачити, як система природним чином еволюціонують у бік ситуацій з більш низькою ентропією, – пишуть автори наукової роботи.

Ось що говорить про це джулія рубіно, науковий співробітник університету брістоля і провідний автор нової статті: “давайте припустимо, що на початку газ в посудині займає тільки його половину. Потім уявіть, що ми видаляємо клапан, який утримував його в межах половини судини, так що газ тепер може вільно розширюватися по всій посудині».

Термодинаміка зберігає в собі безліч таємниць про наш світ і всесвіт

В результаті ми побачимо, що частинки почнуть вільно переміщатися по всьому об’єму судини. Згодом газ займе весь посудину. «в принципі, існує ненульова ймовірність того, що в якийсь момент газ природним чином повернеться, щоб зайняти половину судини, тільки ця ймовірність стає менше, чим більше стає кількість частинок, що складають газ”, – пояснює рубіно.

Якби існувало тільки три частинки газу замість величезної кількості газу (що складається з мільярдів частинок), ці кілька частинок могли б знову опинитися в тій частині судини, звідки вони спочатку стартували. Ось така фізика.

Отг допускає подорожі в часі в майбутнє. З минулим все набагато складніше

Далі, як ви могли здогадатися, слід другий закон термодинаміки-так званий статистичний закон, який є вірним в середньому для макроскопічної системи. «у мікроскопічній системі ми можемо побачити, як система природно розвивається в бікСитуацій з більш низькою ентропією”, – зазначають дослідники.

Стріла часу

Щоб розібратися ще докладніше, відзначимо, що в ході нового дослідження фізики задавалися питанням про наслідки застосування описаної вище парадигми в квантовій області. Згідно принципу квантової суперпозиції , окремі одиниці (наприклад, світло) можуть існувати одночасно в двох станах, як у вигляді хвиль, так і у вигляді частинок, проявляючись в тому чи іншому вигляді в залежності від того, що саме ви тестуєте.

Команда рубіно розглянула квантову суперпозицію з станом, який розвивається як назад, так і вперед у часі. Вимірювання показали, що найчастіше система в кінцевому підсумку рухається вперед у часі. Якби не невеликі зміни ентропії, система дійсно могла б продовжувати розвиватися як вперед, так і назад у часі.

Руйнування суперпозиції стані при взаємодії з оточенням з плином часу зображення joint quantum institute

Так як же ці складні фізичні поняття співвідносяться з реальним людським досвідом? невже нарешті прийшов час почати збирати речі для подорожі назад у часі? та ба.

” ми, люди, є макроскопічними системами. Ми не можемо сприймати ці квантові суперпозиції часових еволюцій”, – говорить рубіно. Для нас час дійсно рухається вперед. Можливо, це той випадок, коли світ трохи не визначився.

І дійсно-на самому фундаментальному рівні світ складається з квантових систем (які можуть рухатися вперед і назад). Більш глибоке розуміння того, як описати перебіг часу на рівні цих елементарних складових, могло б дозволити фізикам сформулювати більш точні теорії для їх опису і, в кінцевому рахунку, отримати більш глибоке розуміння фізичних явищ світу, в якому ми живемо.

На нашому каналі в яндекс.дзен. Там регулярно виходять статті, яких немає на сайті!

Висновки

Однак не всі згодні з тим, що різниця між макроскопічним і мікроскопічним є чіткою. Як пише popular mechanics, рамакрішна поділа, доцент кафедри фізики і астрономії університету клемсона в південній кароліні, говорить, що статистика багатьох частинок в порівнянні зі статистикою окремих частинок є більш точним способом опису речей.

Навіть у однієї частинки є свої власні, унікальні мікростани. Поділа вважає, що в нашому прагненні зрозуміти час ми ставимо рівняння вище фізичної реальності — і втрачаємо головне.

Зв’язування стріли часу з ентропією або колапсом квантово-механічної системи (як зазначено в статті) – це не формальні твердження, а популярні методи, які прості у використанні. Навіть те, що час рухається вперед, саме по собі не аксіома, а теорія, яку астрофізик артур еддінгтон придумав і популяризував в 1927 році.

Час і простір нерозривно пов’язані, але чи правильно ми їх розуміємо?

Так що, можливо, ідея про те, що простір і час зливаються в один переплетений континуум, має право на життя. З тих пір як альберт ейнштейн сформулював теорію відносності, ми перестали сприймати простір як тривимірну фігуру, а час — як одновимірне.

Час став четвертим елементом чотиривимірного вектора, що описує простір і час, — говорить рубіно. Це єдина, динамічна сутність, над якою ми все ще ламаємо голову.

На закінчення ж хочу не тільки подякувати читачеві за увагу, але і знову процитувати вчених: «хоча час часто розглядається як безперервно збільшується параметр, наше дослідження показує, що закони, керуючі його течією в квантово-механічних контекстах, набагато складніше. Це може означати, що нам потрібно переосмислити те, як ми представляємо цю величину у всіх тих контекстах, де квантові закони відіграють вирішальну роль».

Через квантову суперпозицію хід часу в мікросвіті не має певного напрямку-зникає грань між причиною і наслідком.

Повністю ознайомитися з текстом наукової роботи можна в журналі nature