Еще Исаак Ньютон рисовал картину мира, в которой время движется только вперед, под неспешное тиканье часов. Это не прямая, а вектор, или даже стрела, летящая сквозь пространство. У нас нет возможности двигаться в другом направлении.
Однако не все принимают это как непреложную истину, как свидетельствует Альберт Эйнштейн, чья специальная теория относительности 1905 года утверждала, что время — это иллюзия, движущаяся относительно наблюдателя. Сегодня физики говорят, что изменения реальны, а время — нет. Время — только отражение перемен. И буквально на прошлой неделе группа физиков опубликовала новую статью, в которой предполагалось, что квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени.
Чтобы понять, почему ученые ранее установили, что время знает только одно направление — вперед — нам нужно вспомнить второй закон термодинамики. В нем говорится, что в закрытой системе энтропия системы (то есть мера беспорядка и случайности в системе) остается постоянной или увеличивается. Если наша Вселенная представляет собой замкнутую петлю, свернутую клубком, как шар, ее энтропия никогда не может уменьшиться, а это означает, что Вселенная никогда не вернется в более раннюю точку. Но как это работает в случае, когда изменения энтропии малы?
Возьмем, к примеру, газ в сосуде. Предположим, что вначале газ занимает только половину емкости. Затем представьте, что мы удаляем клапан, который ограничивал его в пределах половины сосуда, так что теперь газ может свободно расширяться по всему сосуду.
Частицы начнут свободно перемещаться по всему объему емкости. Со временем газ заполнит всю емкость. В принципе, существует ненулевая вероятность того, что в какой-то момент газ естественным образом вернется и займет половину емкости, только эта вероятность тем меньше, чем больше количество частиц, составляющих газ. Если бы было только три частицы газа вместо огромного объема (состоящего из миллиардов частиц), было бы возможно, что эти несколько частиц снова оказались в той части сосуда, откуда они изначально начинались. Второй закон термодинамики — это статистический закон. В среднем он справедлив для макроскопической системы. В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом развивается в направлении ситуаций с более низкой энтропией.
Авторы новой работы задались вопросом о последствиях применения этой парадигмы в квантовой сфере. Согласно принципу квантовой суперпозиции, отдельные единицы (например, свет) могут существовать в двух состояниях одновременно, как волны или частицы, проявляясь как одно или другое в зависимости от того, что вы измеряете. Команда ученых рассмотрела квантовую суперпозицию с состоянием, которое эволюционирует как назад, так и вперед во времени. Измерения показали, что чаще всего система двигалась вперед во времени. Но при небольших изменениях энтропии система действительно могла бы продолжать развиваться как вперед, так и назад во времени.
Итак, как эти сложные физические понятия переносятся на реальный человеческий опыт? Не пора ли наконец начать собираться в путешествие во времени? Ох, если бы все было так просто.
Мы, люди, — макроскопические системы. Мы не можем применять к себе эти квантовые суперпозиции временных эволюций. Для нас время действительно движется вперед. Впрочем, может случиться так, что мир потеряет определенность. На самом фундаментальном уровне мир состоит из квантовых систем (которые могут двигаться вперед и назад). Более глубокое понимание того, как описывать течение времени на уровне этих элементарных составляющих, может позволить нам сформулировать более точные теории для их описания и, в конечном итоге, получить более глубокое понимание физических явлений мира, в котором мы живем.
Однако не все согласны с тем, что разница между макроскопическим и микроскопическим очевидна. Рамакришна Подила, доцент кафедры физики и астрономии Университета Клемсона в Южной Каролине, говорит, что статистика многих частиц по сравнению со статистикой отдельных частиц является более точным способом описания вещей. Даже у отдельной частицы есть свои уникальные микросостояния. Подила считает, что в нашем стремлении понять время мы ставим уравнения выше физической реальности — и упускаем из виду суть.
Так что, не смотря на все полученные знания, не бесконечность космоса является непреодолимой, а неумолимая сила времени. Как знать, может быть мы научимся передавать необычные свойства крошечных систем большим объектам — тогда до путешествий в пространстве-времени будет всего один шаг. И да, этот термин "пространство-время", сам по себе, невероятно важен. Мы уже перестали понимать пространство как нечто трехмерное, и время как одномерное. Это все — единый континуум.