Наше сприйняття часу здається однорідним і одностороннім, але теорія відносності дозволяє йому бути більш гнучким, ніж ви могли б очікувати.
Наприклад, у сильному гравітаційному полі час тече повільніше в порівнянні з часом, що знаходиться далі – ніби сама гравітація затягує його.
Так само, якщо ви подорожуєте досить швидко, час проходитиме повільніше для вас у порівнянні з тим, хто залишився позаду.
У цих прикладах час все ще тече лише в одному напрямку.
Але, заглядаючи за межі теорії відносності, у царину квантової механіки, виникає інша можливість – така, що час може не лише сповільнюватися, а й фактично текти назад.
Що ж відбувається, коли це трапляється? Нова математична розробка цього питання повертає несподівану відповідь: сам квантовий простір накладає обмеження на те, наскільки далеко назад час може ефективно текти.
І це обмеження вкрай коротке.
Для найпростішої моделі, дослідженої фізиками Якіром Ахаронова з Тель-Авівського університету та Авшаломом С. Еліцуром з Інституту передових досліджень в Ізраїлі, час може ефективно текти назад лише близько фемтосекунди – або однієї квадрильйонної частини секунди.
Їхня робота детально описана у препринті, завантаженому на arXiv.
Це не перший раз, коли Ахаронова займається темою зворотного часу.
У 1990 році він і його колеги запропонували теоретичний пристрій, яке могло б використовувати дивні властивості квантової механіки, щоб змусити систему поводитися так, ніби час прискорився, зупинився або навіть тек до назад.
Ідея базується на особливості квантової механіки, званій суперпозицією, коли система може існувати в комбінації різних можливих станів одночасно.
Уявіть, що у вас є годинник у такому стані суперпозиції, займаючи дві різні позиції в гравітаційному полі одночасно – з достатньою різницею в силі гравітації, щоб вплинути на швидкість, з якою проходить час.
В одній позиції, глибше в гравітаційному полі, час проходить повільніше. В іншій, далі, час проходить швидше.
Квантова механіка дозволяє обом можливостям співіснувати. І коли дві гілки годинника знову з'єднуються, вони можуть взаємодіяти одна з одною.
Ось тут починається цікаве. Вибираючи певний результат цієї взаємодії – процес, званий пост-селекцією – фізики теоретично можуть змусити годинник поводитися так, ніби він пережив певну кількість часу, що виходить за межі будь-якої з можливостей.
Це може означати більше часу, ніж пройшло для будь-якої з гілок. Це може означати жодного часу. Або це може означати негативну кількість часу – так, ніби годинник працював назад.
Тепер, через 36 років, Ахаронова і Еліцур повернулися до цієї ідеї, щоб дослідити особливо складне питання: наскільки далеко може йти цей негативний час?
Оскільки концепція залишається теоретичною, а не експериментально реалізованою, пара звернулася до математики, щоб дослідити чотири трохи різні конфігурації машини.
Але перед тим, як почати, їм потрібно було відповісти на deceptively simple question.
Припустимо, ви дійсно змогли змусити час текти назад. Як, чорт забирай, ви це доведете?
І тут на сцену виходить трохи атомного розпаду.
Коли атом поглинає енергію, один з його електронів може стрибнути на вищий енергетичний рівень, ставлячи атом у так званий збуджений стан.
Але атоми трохи ліниві – вони схильні повертатися до свого незбудженого стану (зрозуміло). Зрештою, електрон може знову опуститися на нижчий енергетичний рівень, вивільняючи надлишкову енергію у вигляді фотона. Цей процес називається спонтанним випромінюванням, і за звичайних обставин він відбувається лише в одному напрямку.
Отже, дослідники запропонували почати з колекції атомів, які вже почали розпадатися, і подивитися, чи може їх теоретична машина скасувати цей процес.
Уявіть, що у вас є 100 збуджених атомів. Ви чекаєте, поки деякі з них вивільнять свою енергію, залишаючи лише 80 все ще збудженими.
Тепер припустимо, що ви пропускаєте ці 100 атомів через теоретичну машину часу.
Якщо ви в результаті отримаєте більше ніж 80 збуджених атомів, машина ефективно скасувала частину розпаду, що вже відбулася.
Тепер, якщо час дійсно тек назад, випромінене світло повинно повернутися до атомів, відновлюючи їх до збуджених станів – що ставить нову проблему. Фотони могли вже відправитися в інші місця або бути поглинутими чимось іншим.
Щоб врахувати все це, Ахаронова і Еліцур уявили, що атоми поміщені всередину повністю герметичної камери, разом зі світлом, яке вони випромінюють, і стінами, які можуть його поглинути.
Вся камера потім проходить через теоретичну машину, дозволяючи дослідникам дослідити, чи може весь процес ефективно бути скасованим.
І тут виникає досить жорстка перешкода.
Навіть всередині герметичної камери атоми не існують у ізоляції. Коли вони випромінюють світло, вони взаємодіють з навколишнім електромагнітним полем, залишаючи сліди того, що сталося.
Для найпростішої версії машини скасування розпаду залежить від того, щоб ці взаємодії зберігали квантову когерентність, необхідну для того, щоб дві можливі історії могли взаємодіяти.
Але це вікно не залишається відкритим довго.
У оптичному прикладі дослідників воно триває близько однієї фемтосекунди.
Поза цим, навколишнє середовище ефективно зберегло занадто багато інформації про випромінювання, щоб найпростішій двогілковій машині вдалося досягти бажаного скасування.
Отже, межа не накладається часом – вона накладається пам'яттю навколишнього середовища про світло.
Більш складні версії машини теоретично можуть скасувати довші інтервали, але лише за рахунок введення значно більшої кількості квантових гілок, з все більш ймовірними шансами на успіх.
Але що, ви, напевно, запитуєте, про другий закон термодинаміки? Це важливий момент, шановний читачу, і один, на який дослідники відповіли безпосередньо.
Згідно з другим законом термодинаміки, загальна ентропія ізольованої системи ніколи не може зменшуватися. Природні процеси, як правило, рухаються в одному напрямку, від більш впорядкованих станів до менш впорядкованих.
Як сказав сер Артур Еддінгтон, "Якщо ваша теорія виявиться проти другого закону термодинаміки, я не можу дати вам жодної надії; немає нічого, крім того, як впасти в глибоке приниження".
Але якщо час міг би текти назад, чи не порушило б це другий закон? Що ж, не обов'язково.
Ловушка полягає в пост-селекції. Здається, що зворотний час відбувається лише в дуже невеликій частині можливих результатів, ретельно вибраних з усіх інших.
Коли всі результати розглядаються разом, система в цілому все ще підкоряється другому закону термодинаміки. Ентропія не почала магічно зменшуватися по всій лінії.
Отже, теоретична машина Ахаронова і Еліцура може виробляти щось, що виглядає як зворотний час, не порушуючи один з найосновніших законів фізики – таким чином уникнувши загрози приниження Еддінгтона.
Але чому йти на такі надзвичайні зусилля, щоб ризикувати яєчним обличчям?
Що ж, тому що питання не в тому, чи можемо ми побудувати машину, яка відправляє речі назад у часі. Це чому час, здається, рухається лише в одному напрямку з самого початку.
Цікаво: Багато основних рівнянь фізики працюють так само добре назад, як і вперед. Проте світ, який ми спостерігаємо, сповнений процесів, які здаються неможливими для скасування.
Визначивши точно, де зворотний час у квантовій механіці розбивається, робота Ахаронова і Еліцура може допомогти фізикам зрозуміти, як навколишнє середовище викликає незворотні процеси, які визначають наш досвід часу.
"Стріла часу входить точно там, де машина зупиняється," пишуть дослідники.
Дослідження доступне на препринт-сервері arXiv.