Можно ли заставить время двигаться назад? Квантовая механика допускает необычный эффект, при котором физическая система ведёт себя так, словно вернулась в собственное прошлое. Однако новое теоретическое исследование показало, что у такого обращения времени есть серьёзное ограничение. В простейшей рассмотренной модели оно составляет всего одну квадриллионную долю секунды.
К такому выводу пришли физики Якир Ааронов из Тель-Авивского университета и Авшалом Элицур из Израильского института перспективных исследований. Их работа, опубликованная на сервере препринтов arXiv, посвящена вопросу о том, насколько далеко в прошлое теоретически можно вернуть квантовую систему.
Сама возможность такого эффекта связана с особенностями квантовой механики. Ещё в 1990 году Ааронов и его коллеги предложили концепцию устройства, способного изменять ход времени для отдельной системы. Согласно расчётам, оно могло бы создавать эффект ускорения, остановки и даже обратного течения времени.
В основе идеи лежит квантовая суперпозиция — состояние, при котором система одновременно сочетает несколько возможных вариантов своего существования.
Представим часы, которые благодаря суперпозиции находятся сразу в двух местах с разной силой тяжести. Согласно теории относительности, чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее идёт время. Поэтому в одном положении часы будут идти медленнее, чем в другом.
Квантовая механика позволяет объединить эти два варианта, а затем заставить их взаимодействовать друг с другом. Если после этого отобрать определённый результат такого взаимодействия, можно получить весьма необычный эффект: часы будут показывать, будто для них прошло больше времени, чем в любом из двух исходных вариантов, время вообще остановилось или даже прошло в обратном направлении.
Именно последний случай заинтересовал исследователей. Они решили выяснить, существуют ли фундаментальные ограничения для такого эффекта.
Но сначала потребовалось определить, как вообще можно установить, что квантовая система действительно вернулась в более раннее состояние.
Для этого учёные предложили использовать атомы, которые постепенно теряют энергию. Когда атом находится в возбуждённом состоянии, один из его электронов занимает более высокий энергетический уровень. Со временем электрон может вернуться на нижний уровень, испустив частицу света — фотон.
Предположим, изначально имеется 100 возбуждённых атомов. Через некоторое время часть из них испустит фотоны, и возбуждёнными останутся только 80. Если после воздействия теоретической машины их число снова увеличится, это будет означать, что часть уже произошедших изменений удалось обратить вспять.
Однако здесь возникает проблема. Испущенные фотоны никуда не исчезают: они могут улететь от атомов или поглотиться окружающими предметами. Для полного обращения процесса пришлось бы вернуть не только атомы в исходное состояние, но и свет, который они излучили.
Поэтому физики представили герметичную камеру, внутри которой находятся атомы, испущенные ими фотоны и стенки, способные поглощать излучение. Через воображаемую машину должна проходить вся камера целиком.
Именно при анализе этой системы обнаружилось неожиданное ограничение.
Даже внутри закрытой камеры атомы постоянно взаимодействуют с окружающим электромагнитным полем. Испуская фотоны, они оставляют в нём своеобразные следы произошедших событий.
Для работы простейшей версии машины необходимо, чтобы разные квантовые варианты развития событий сохраняли способность взаимодействовать друг с другом. Однако по мере распространения света и его взаимодействия с окружением эта способность постепенно утрачивается.
В рассмотренном исследователями примере с оптическим излучением необходимое состояние сохраняется примерно одну фемтосекунду — одну квадриллионную долю секунды. После этого окружающая среда уже содержит слишком много информации об испущенном свете, чтобы простейшая машина с двумя квантовыми вариантами могла обеспечить требуемое обращение процесса.
Получается, ограничение связано не с самим временем, а с тем, что окружающая среда сохраняет следы произошедшего.
При этом одна фемтосекунда не является универсальным пределом для всех возможных случаев. Расчёты показали, что более сложные варианты устройства теоретически позволяют обратить процессы за более продолжительные промежутки. Но для этого потребуется огромное количество дополнительных квантовых вариантов, а вероятность получить нужный результат будет становиться всё меньше.
Возникает и другой вопрос: не противоречит ли подобное обращение времени второму закону термодинамики? Согласно ему, энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Именно с этим законом связана необратимость множества привычных процессов.
Исследователи объясняют, почему противоречия здесь нет. Эффект обратного хода времени возникает только при отборе исключительно редких результатов квантового взаимодействия. Если учитывать все возможные исходы, система в целом продолжает подчиняться второму закону термодинамики.
Таким образом, речь не идёт о настоящей машине времени, способной отправлять предметы в прошлое. Более того, описанное устройство пока существует исключительно в виде теоретической модели, а не работающей экспериментальной установки.
Главная ценность исследования заключается в другом. Многие фундаментальные физические уравнения одинаково хорошо описывают процессы как в прямом, так и в обратном направлении. Однако в повседневном мире мы постоянно наблюдаем необратимые изменения.
Работа Ааронова и Элицура предлагает объяснение того, как эта необратимость может возникать на квантовом уровне. Пока информация о произошедшем сохраняет необходимые квантовые свойства, теоретическое обращение процесса остаётся возможным. Но когда взаимодействие с окружением разрушает эти свойства, возможность исчезает.
Именно в этой границе, по мнению исследователей, и проявляется привычная нам стрела времени — различие между прошлым и будущим.
