Час можа ўвогуле не існаваць: што кажуць фізікі

Чым старанней вучоныя вывучаюць час, тым больш дзіўным ён становіцца.

Прырода часу — адна з самых глыбокіх і даўніх праблем фізікі, адносна якой вучоныя не могуць прыйсці да адзінай думкі. З нашай пункту гледжання здаецца, што час заўсёды рухаецца наперад.

Аднак чым старанней вучоныя вывучаюць час, тым больш дзіўным ён становіцца: ад раўнанняў, якія сцвярджаюць, што час павінен ісці і наперад, і назад, да дзіўнага квантавага свету, дзе прычына і следства могуць перакульвацца з ног на галаву, піша Science Focus (пераклад — «Фокус»).

Магчыма, час — гэта ілюзія?

Існуюць тры зусім розныя спосабы вызначэння часу, якія няпроста ўзгадніць паміж сабой.

Першае вызначэнне часу паходзіць з раўнанняў, якія апісваюць, як усё змяняецца з цячэннем часу. Ва ўсіх гэтых раўненнях час з’яўляецца велічынёй, якая называецца «каардынатным часам». У дадзеным выпадку час — гэта матэматычны параметр, якому можна надаць пэўнае значэнне.

Другое вызначэнне часу паходзіць з тэорыі адноснасці Эйнштэйна, дзе час з’яўляецца чацвёртым вымярэннем у дадатак да вымярэнняў прасторы. Гэта кірунак у чатырохмернай прасторы-часе. У гэтым выпадку мінулае, сучаснае і будучыня аднолькава рэальныя і суіснуюць, так жа, як і ўсе пункты ў прасторы аднолькава рэальныя. Пры гэтым час мае глыбокую сувязь з гравітацыяй паводле агульнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна.

Ужо некалькі дзесяцігоддзяў фізікі спрабуюць аб’яднаць агульную тэорыю адноснасці з квантавай механікай. Матэматычныя канцэпцыі, што спрабуюць зрабіць гэта, вядомыя як тэорыі квантавай гравітацыі. Але прымірэнне розных паняццяў часу ў гэтых дзвюх тэорыях неверагодна складанае.

Час у квантавай гравітацыі

Прычына, чаму так цяжка прымірыць квантавую механіку з агульнай тэорыяй адноснасці, у тым, што матэматыка гэтых тэорый фундаментальна несумяшчальная. Квантавыя эфекты кіруюць паводзінамі субатамнага свету, у той час як гравітацыя ўплывае на значна большыя маштабы Сусвету.

Раннія спробы аб’яднаць квантавае апісанне рэчаіснасці з чатырохмернай прасторай-часам прывялі ў 1967 годзе да з’яўлення раўнання Уілера — ДэВіта, у якім час увогуле больш не з’яўляецца. Гэтае раўнанне паказвае, што час можа быць проста ілюзіяй.

Але чаму здаецца, што час існуе і цячэ толькі ў адным напрамку?

Гэта падводзіць нас да трэцяга вызначэння часу, што вынікае з тэрмадынамікі, якая апісвае ўласцівасці вялікай колькасці часцінак у такіх тэрмінах, як цяпло, тэмпература і ціск. У гэтым выпадку час — не вымярэнне і не параметр, а кірунак, што паказвае з мінулага ў будучыню. Тут час адлюстроўвае павелічэнне энтрапіі ці непарадку ў сістэме.

Але факт у тым, што ва ўсіх фундаментальных раўненнях фізікі змена напрамку часу не перашкаджае раўнанням працаваць. Гэта значыць, час можа паказваць у любы бок, і мы не зможам адрозніць будучыню ад мінулага. Аднак мы бачым яўную розніцу паміж мінулым і будучынёй.

Як сумясціць той факт, што нашы раўнанні працуюць аднолькава добра незалежна ад напрамку цячэння часу? Для гэтага давядзецца звярнуцца да квантавай заблытанасці.

Квантавая заблытанасць

Квантавыя аб’екты, такія як электроны, могуць мець уласцівасці, якія не фіксуюцца да таго, як іх вымераюць назіральнікі. Гэта значыць, электроны могуць існаваць у стане квантавай суперпазіцыі, адначасова маючы розныя ўласцівасці. Толькі калі назіральнік вымярае пэўную ўласцівасць квантавага аб’екта, гэта прымушае квантавую сістэму выбраць адзін з многіх варыянтаў гэтай уласцівасці.

Але калі да вымярэння электрон узаемадзейнічае з другім электронам, то гэты другі электрон можа «пераняць» суперпазіцыю першага. Ён таксама апынецца ў стане няпэўнасці да пачатку вымярэння. Таму два электроны знаходзяцца ў стане квантавай заблытанасці, і іх трэба апісваць як адзіны квантавы аб’ект.

Асаблівасць квантавай заблытанасці ў тым, што назіранне аднаго з двух электронаў адначасова прымушае другі атрымаць адну з даступных уласцівасцей у суперпазіцыі. Гэта адбудзецца адначасова, як бы далёка электроны ні знаходзіліся адзін ад аднаго. Дык як квантавая заблытанасць можа дапамагчы вызначыць прыроду часу?

У 1983 годзе Дон Пэйдж і Уільям Вутэрс упершыню выказалі здагадку, што існуе сувязь паміж часам і квантавай заблытанасцю. Уявіце, што нейкія гіпатэтычныя квантавыя гадзіннікі квантава заблытаныя са сваім акружэннем. Такім чынам узнікае квантава заблытаная сістэма «гадзіннікі + акружэнне», якая знаходзіцца ў суперпазіцыі станаў у розныя моманты часу.

Цяпер, калі мы вымяраем час па гадзінніках, гэта прымушае акружэнне гадзіннікаў сінхранізавацца з тым, што адбывалася толькі ў гэты момант часу.

Уявім сабе агульны стан Сусвету, які можа складацца з двух частак: гадзіннікаў і ўсяго астатняга. Для назіральнікаў успрыманне канкрэтнага часу роўназначнае вымярэнню паказанняў гадзіннікаў у гэты момант, таму мы ўспрымаем рэальнасць — акружэнне гадзіннікаў, то бок Сусвет, — у гэты момант. Але калі глядзець «звонку» Сусвету, не будзе ніякага цячэння часу.

Квантавая прычыннасць

Калі квантавая механіка сцвярджае, што сістэма можа знаходзіцца ў суперпазіцыі станаў у два розныя моманты часу, гэта прыводзіць да яшчэ цікавейшых наступстваў, калі разгледзець парадак прычыны і следства. То бок, каб нешта адбылося, прычына павінна папярэднічаць следству.

Уявіце дзве падзеі, A і B, напрыклад, успышкі святла, выкліканыя двума крыніцамі, размешчанымі ў розных месцах. Прычына і следства азначаюць, што існуюць тры магчымасці:

1) Успышка A адбылася раней за ўспышку B і магла справакаваць успышку B;

2) Успышка B адбылася раней за ўспышку A і магла яе справакаваць;

3) Ні адна з іх не магла справакаваць іншую, паколькі яны занадта далёкія адна ад адной у прасторы і занадта блізкія ў часе, каб сігнал, які выклікае падзею, мог быць дасланы з аднаго месца ў другое.

Спецыяльная тэорыя адноснасці Эйнштэйна сцвярджае, што ўсе назіральнікі, незалежна ад таго, як хутка яны рухаюцца адносна адзін аднаго, бачаць святло, што рухаецца з аднолькавай пастаяннай хуткасцю. Гэта можа прывесці да таго, што назіральнікі будуць бачыць падзеі, якія адбываюцца ў розным парадку.

У варыянце 3) два назіральнікі, што рухаюцца адносна адзін аднаго са хуткасцю, блізкай да хуткасці святла, могуць разыходзіцца ў меркаваннях адносна парадку з’яўлення ўспышак.

А што, калі варыянты 1) і 2) суіснуюць у квантавай суперпазіцыі? Парадак прычыннасці двух падзей больш не будзе фіксаваным. Яны будуць існаваць у камбінаваным стане. Такім чынам, прычына і следства могуць стаць размытымі. Сітуацыя становіцца яшчэ больш дзіўнай, калі ўвесці гравітацыю.

Час — складаная шматгранная з’ява

Уявіце два квантава заблытаныя гадзіннікі, кожны з якіх знаходзіцца ў суперпазіцыі на рознай вышыні над паверхняй Зямлі. Паводле агульнай тэорыі адноснасці гэта азначае, што два гадзіннікі ідуць з крыху рознай хуткасцю з-за невялікай розніцы ў гравітацыйным полі.

Пакуль квантава заблытаны стан не будзе вымераны праз назіранне часу на адных з гадзіннікаў, немагчыма вызначыць парадак падзей, зарэгістраваных двума гадзіннікамі.

І калі мы не можам вызначыць, якія падзеі адбываюцца ў будучыні, а якія ў мінулым, мы прыходзім да высновы пра магчымасць таго, што падзеі дзейнічаюць у зваротным кірунку часу, выклікаючы падзеі ў мінулым.

У той час як некаторыя фізікі сцвярджаюць, што прычыннасць трэба захоўваць любой цаной, іншыя адстойваюць ідэю ўплыву будучыні на мінулае і нават квантавых падарожжаў у часе.

Цалкам магчыма, што час — не адзінае паняцце, а шматгранная і складаная з’ява. Магчыма, час сапраўды захоўвае свае розныя ўласцівасці ў залежнасці ад таго, як мы яго выкарыстоўваем.

Вы можаце падтрымаць сайт Charter97.org наступным чынам:

РАЗЛІКОВЫ МУЛЬТЫВАЛЮТНЫ РАХУНАК ДЛЯ АХВЯРАВАННЯЎ:

Назва банка: Bank Millennium S.A.
Адрас: ul. Stanislawa Zaryna, 2A, 02-593, Warszawa
IBAN: PL97116022020000000216711123
SWIFT: BIGBPLPW
Імя ўладальніка рахунку: Fundacja “KARTA ‘97”
рызначэнне аплаты: Darowizna na cele statutowe

Звязацца з намі можна праз адрас charter97@gmail.com