Новое исследование предполагает, что время может быть не фундаментальным элементом Вселенной, а скорее иллюзией, возникающей из квантовой запутанности.
Время представляет собой сложную проблему для физиков; его непоследовательное поведение в рамках наших лучших теорий о Вселенной способствует тупиковой ситуации, мешающей исследователям найти «теорию всего» — единую систему, объясняющую всю физику во Вселенной.
Однако в новом исследовании учёные предполагают, что они могли бы найти ключ к решению этой проблемы, делая время следствием квантовой запутанности, необычной связи между двумя удалёнными частицами. Команда опубликовала свои выводы 10 мая в журнале Physical Review A.
«Существует способ ввести время, который согласуется как с классическими законами, так и с квантовыми законами и является проявлением запутанности, — сказал в интервью для Live Science первый автор исследования Алессандро Коппо (Alessandro Coppo), физик из Национального исследовательского совета Италии. — Корреляция между часами и системой создаёт возникновение времени, фундаментального элемента в нашей жизни.»
Пора поговорить о времени
В квантовой механике, нашей лучшей теории микроскопического мира, время является фиксированным явлением — неумолимым, однонаправленным потоком из прошлого в настоящее. Оно остаётся внешним по отношению к странным и постоянно меняющимся квантовым системам, которые оно измеряет, и его можно наблюдать только по изменениям внешних объектов, таких как стрелки часов.
Тем не менее, согласно теории общей относительности Эйнштейна, которая описывает более крупные объекты, такие как наши тела, звёзды и галактики, время переплетено с пространством и может искажаться и расширяться на высоких скоростях или в присутствии гравитации. Это ставит две наши лучшие теории реальности в фундаментальный тупик. Без её разрешения последовательная теория всего остаётся недосягаемой.
«Кажется, в квантовой теории есть серьёзное несоответствие, — сказал Коппо. — Это то, что мы называем проблемой времени.»
Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к теории, называемой механизмом Пейджа-Вуттерса. Впервые предложенная в 1983 году, эта теория предполагает, что время возникает для одного объекта через его квантовую запутанность с другим, выступающим в роли часов. Для незапутанной системы, с другой стороны, время не существует, и система воспринимает Вселенную как замороженную и неизменную.
Применяя механизм Пейджа-Вуттерса к двум запутанным, но невзаимодействующим теоретическим квантовым состояниям — одному в виде вибрирующего гармонического осциллятора и другому в виде набора крошечных магнитов, выступающих в роли часов — физики обнаружили, что их система может быть идеально описана уравнением Шрёдингера, которое предсказывает поведение квантовых объектов. Вместо времени в их версии знаменитого уравнения использовались состояния крошечных магнитов, выступающих в роли часов.
Этот подход не нов, но следующий шаг команды был новым. Они дважды повторили свои расчёты, сначала предполагая, что магнитные часы, а затем гармонический осциллятор являются макроскопическими (более крупными) объектами. Их уравнения упростились до уравнений классической физики, что указывает на то, что течение времени является следствием запутанности даже для объектов на больших масштабах.
«Мы твёрдо убеждены, что правильное и логичное направление — начать с квантовой физики и понять, как достичь классической физики, а не наоборот», — сказал Коппо.
Другие физики высказались с осторожностью. Несмотря на то, что механизм Пейджа-Вуттерса представляется им захватывающей идеей квантового происхождения времени, они заявили, что он ещё не дал ничего, что можно было бы проверить.
«Да, математически последовательно думать о вселенском времени как о запутанности между квантовыми полями и квантовыми состояниями трёхмерного пространства, — сказал Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), профессор квантовой информационной науки в Оксфордском университете, который не участвовал в работе. — Однако никто не знает, выйдет ли из этой концепции что-то новое или плодотворное — например, модификации квантовой физики и общей теории относительности, и соответствующие экспериментальные тесты.»
Несмотря на эти сомнения, создание теорий времени, основанных на квантовой механике, может быть многообещающим началом — при условии, что их можно будет приспособить к экспериментам.
«Возможно, в этом какую-то роль играет запутанность, — сказал Адам Франк (Adam Frank), теоретический физик из Рочестерского университета в Нью-Йорке, который не участвовал в исследовании. — Возможно, единственный способ понять время — это не с точки зрения «всевидящего ока», а изнутри, с точки зрения вопроса о том, что именно в жизни проявляет такое восприятие мира.»
