Час може бути ілюзією: думки вчених-фізиків.

Що ретельніше вчені вивчають час, то дивнішим він стає.

Проблема природи часу є однією з найскладніших і найдавніших у фізиці, і досі не існує єдиного погляду на це питання серед науковців. Здається, що час завжди рухається у напрямку вперед. Проте, чим глибше досліджують вчені цю концепцію, тим більше вона виявляється парадоксальною: від рівнянь, що вказують на можливість одночасного руху часу вперед і назад, до загадкового квантового світу, де поняття причини і наслідку можуть зазнати кардинальних змін, як зазначає Science Focus.

Чи може бути, що час — це всього лише ілюзія?

Є три цілком різних методи вимірювання часу, які важко поєднати між собою.

Перший підхід до розуміння часу базується на рівняннях, що ілюструють, як різні явища еволюціонують з часом. У цих рівняннях час виступає як величина, відома як "координатний час". У даному контексті час розглядається як математичний параметр, якому можна присвоїти конкретне значення.

* Друге визначення часу виходить із теорії відносності Ейнштейна, де час є четвертим виміром на додаток до тих вимірів простору. Це напрямок у чотиривимірному просторі-часі. У цьому разі минуле, теперішнє і майбутнє однаково реальні й співіснують, точно так само, як усі точки в просторі однаково реальні. При цьому час має глибокий зв'язок із гравітацією згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна.

Уже кілька десятиліть фізики намагаються об'єднати загальну теорію відносності з квантовою механікою. Математичні концепції, що намагаються зробити це, відомі як теорії квантової гравітації. Але примирити різні поняття часу з цих двох теорій неймовірно складно.

Час у контексті квантової гравітації

Причина, чому важко поєднати квантову механіку з загальною теорією відносності, полягає в тому, що їх математичні основи є принципово несумісними. Квантові явища визначають поведінку часток на субатомному рівні, тоді як гравітація діє на значно більших масштабах Всесвіту.

Перші намагання інтегрувати квантовий опис реальності з чотиривимірним простором-часом призвели до створення рівняння Віллера — ДеВітта у 1967 році, в якому поняття часу зовсім відсутнє. Це рівняння відкриває можливість того, що час може виявитися всього лише ілюзією.

Але чому здається, що час існує і тече тільки в одному напрямку?

Це веде нас до третього визначення часу, яке виникає з термодинаміки і стосується характеристик великої кількості частинок, описаних через поняття тепла, температури та тиску. У даному контексті час не виступає як вимірювання чи параметр, а є напрямком, що вказує на рух від минулого до майбутнього. Тут час відображає зростання ентропії або безладу в системі.

Але факт полягає в тому, що в усіх фундаментальних рівняннях фізики зміна напрямку часу не заважає рівнянням працювати. Тобто час може вказувати в будь-який бік, і ми не зможемо відрізнити майбутнє від минулого. Однак ми бачимо явну різницю між минулим і майбутнім.

Як можна об'єднати інформацію про те, що наші рівняння демонструють однакову ефективність, незалежно від напрямку течії часу? Для цього слід звернути увагу на явище квантової заплутаності.

Квантова заплутаність

Квантові об'єкти, такі як електрони, можуть володіти властивостями, які не фіксуються до того, як їх виміряли спостерігачі. Тобто електрони можуть існувати у стані квантової суперпозиції, маючи одночасно різні властивості. Лише коли спостерігач вимірює певну властивість квантового об'єкта, це змушує квантову систему вибрати один із безлічі варіантів цієї властивості.

Проте, якщо під час вимірювання один електрон взаємодіє з іншим, то цей другий електрон може "піддатися" впливу суперпозиції першого. У такому випадку він також опиняється у стані невизначеності до моменту вимірювання. Таким чином, обидва електрони стають квантово заплутаними і їх слід розглядати як єдину квантову систему.

Особливість квантової заплутаності полягає в тому, що спостереження одного з двох електронів одночасно змушує другий отримати одну з доступних властивостей у суперпозиції. Це станеться одночасно, як би далеко електрони не знаходилися один від одного. Отже, як квантова заплутаність може допомогти визначити природу часу?

У 1983 році Дон Пейдж і Вільям Вуттерс уперше припустили, що існує зв'язок між часом і квантовою заплутаністю. Уявіть, що якийсь гіпотетичний квантовий годинник квантово заплутаний зі своїм оточенням. Таким чином виникає квантово заплутана система "годинник + навколишнє середовище", яка перебуває в суперпозиції станів у різні моменти часу.

Тепер, коли ми вимірюємо час за годинником, це змушує навколишнє середовище годинника синхронізуватися з тим, що відбувалося тільки в цей момент часу.

Уявімо собі загальну структуру Всесвіту, яка може поділятися на дві основні складові: годинник та все інше. Для спостерігачів сприйняття конкретного моменту часу є аналогічним вимірам, які показує годинник у даний момент. Таким чином, ми сприймаємо навколишню реальність, що оточує годинник, тобто сам Всесвіт, в цей момент. Проте, якщо подивитися на Всесвіт з "зовнішньої" точки зору, не існуватиме жодної течії часу.

Квантова детермінація

Якщо квантова механіка стверджує, що система може перебувати в суперпозиції станів у два різні моменти часу, то це призводить до ще більш цікавих наслідків, якщо розглянути порядок причини і наслідку. Тобто, щоб щось сталося, причина має передувати наслідку.

Уявіть собі дві події, A і B, наприклад, спалахи світла, викликані двома джерелами, розташованими в різних місцях. Причина і наслідок означають, що існують три можливості:

1) Спалах A відбувся до спалаху B і міг стати його причиною;

* 2) Спалах B стався раніше спалаху A і міг спровокувати його;

3) Жоден з них не мав можливості викликати інший, оскільки вони знаходилися на великій відстані один від одного у просторі і водночас були надто близькими в часі, щоб сигнал, який міг би спричинити подію, міг бути переданий з одного місця в інше.

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що всі спостерігачі, незалежно від того, наскільки швидко вони рухаються один відносно одного, бачать світло, що рухається з однаковою постійною швидкістю. Це може призвести до того, що спостерігачі бачитимуть події, що відбуваються в різному порядку.

У варіанті 3) два спостерігачі, які пересуваються один відносно одного з швидкістю, наближеною до швидкості світла, можуть мати різні погляди на послідовність виникнення спалахів.

А що, якщо варіанти 1) і 2) співіснують у квантовій суперпозиції? Причинно-наслідковий порядок двох подій більше не буде фіксованим. Вони існуватимуть у комбінованому стані. Таким чином, причина і наслідок можуть стати розмитими. Ситуація стає ще більш дивною, якщо ввести гравітацію.

Час являє собою складний і багатогранний феномен.

Уявіть два годинники, які перебувають у стані квантової заплутаності, причому кожен з них знаходиться на різних висотах над Землею. Відповідно до загальної теорії відносності, це призводить до того, що їхній час йде з невеликою різницею через варіації в гравітаційних умовах.

Поки квантово заплутаний стан не буде зафіксований через спостереження часу на одному з годинників, неможливо встановити послідовність подій, зафіксованих двома годинниками.

І якщо ми не можемо визначити, які події відбуваються в майбутньому, а які в минулому, ми доходимо висновку про можливість того, що події діють у зворотному напрямку в часі, спричиняючи події в минулому.

Деякі фізики наполягають на тому, що причинність повинна зберігатися за будь-яких обставин, тоді як інші підтримують концепцію можливого впливу майбутнього на минуле, а також ідеї про квантові подорожі в часі.

Можливо, що час не є простим поняттям, а являє собою багатогранне і складне явище. Існує ймовірність, що характеристики часу змінюються в залежності від способу, яким ми його сприймаємо і використовуємо.

Як повідомляв Фокус, вчені-фізики досліджували нейтронні зірки в пошуках нової природної сили і натрапили на захоплююче відкриття.