Физики объяснили, почему невозможно повернуть время вспять
Китайские исследователи предложили простую, но мощную теорию, объясняющую одну из старейших загадок физики: почему время течет только вперед и почему путешествие в прошлое остается невозможным.
Физик Цай Цинъюй и его коллеги из Хайнаньского университета на юге Китая разработали новое объяснение на квантовом уровне тому, почему мы не можем превратить вареное яйцо обратно в сырое или стать моложе, хотя законы физики вполне допускают обратный ход времени.
Свою концепцию они изложили в рецензируемом журнале Annals of Physics. В отличие от предыдущих теорий, она не опирается на наблюдения, измерения или внешние воздействия. Авторы показали, что стрела времени может возникать естественным образом из процесса взаимосвязи квантовых частиц — процесса, заложенного в саму ткань микроскопической физики.
В конце XIX века австрийский физик Людвиг Больцман предположил, что время движется вперед потому, что изолированные системы стремятся развиваться от порядка к беспорядку — идея, известная как рост энтропии, — а не наоборот. Однако парадокс остается. Фундаментальные уравнения, описывающие движение — от законов Ньютона до уравнения Шредингера, — симметричны относительно обращения времени: они не теряют смысла, если заменить t на −t и запустить часы назад.
Для разрешения этого противоречия на квантовом уровне многие ранние теории фокусировались на окружающей среде. Когда квантовая система взаимодействует с внешним миром, ее хрупкие состояния могут разрушаться необратимым образом. Этот процесс, называемый декогеренцией, использовался для объяснения возникновения направления времени.
Хайнаньские физики подошли к проблеме иначе, заглянув внутрь замкнутой квантовой системы, куда ничто не поступает и откуда ничто не выходит. Они обнаружили, что как только частицы взаимодействуют и оказываются связанными квантовыми корреляциями, эти связи невозможно разорвать, что фактически закрепляет необратимость времени, заставляя его течь вперед.
«Работа закладывает прочный теоретический фундамент для интерпретации закона возрастания энтропии и стрелы времени на уровне квантовой механики, глубоко раскрывая ключевую роль квантовых и классических корреляций в физике. Она затрагивает фундаментальный научный вопрос и обладает важным теоретическим значением», — оценил член Китайской академии наук, известный физик-теоретик Сунь Чанпу.
Цай и его команда использовали корреляции для измерения того, какой объем информации разделяется между разными частями замкнутой системы, чтобы отслеживать происходящие со временем изменения. Главным результатом исследования стала математическая «теорема о запрете», доказывающая, что как только эти корреляции образуются, не существует универсальной операции, способной их стереть.
Подобно тому как в классических системах со временем растет энтропия, в квантовом мире всегда растут корреляции. Что особенно важно — этот рост необратим, что дает новое внутреннее объяснение тому, почему время движется вперед.
По мнению исследователей, это открытие предлагает единое объяснение: растущие корреляции не только указывают направление времени в квантовой области, но и помогают объяснить рост энтропии и другие феномены в классическом мире.
Они отметили, что исследование остается теоретическим, основанным на идеализированных моделях абсолютно изолированной системы. В реальности же ни одна квантовая система не бывает полностью отгорожена от окружающей среды. Будущие исследования должны проверить эти идеи в более реалистичных условиях, заключили авторы.