Новое исследование показывает, что время в квантовой физике может течь в любую сторону
Традиционная теория о том, что время может двигаться только вперед, оспаривается исследованием, но условия для «стрелки назад» ограничены. Вопрос о том, можно ли повернуть время вспять, является «одной из фундаментальных проблем» квантовой физики.
Течение времени может идти в любую сторону в мире квантовой физики, и это редкое явление можно наблюдать и измерять в хорошо спланированном эксперименте, согласно новому исследованию.
Почти столетие квантовые физики спорят о том, можно ли применить закон суперпозиции ко времени, чтобы субатомная частица могла одновременно ощущать прошлое и будущее.
Дебаты далеки от завершения, в частности потому, что остается неясным, при каких обстоятельствах время может быть обращено вспять и как обнаружить такое событие.
Это явление можно наблюдать только тогда, когда система чрезвычайно стабильна, с небольшим количеством беспорядка, или «энтропии». «Мы не знаем, эволюционирует ли кубит (квантовая частица) «вперед во времени» или «назад во времени», пока он не будет измерен«, — сказала Рубино.
Путешествуют ли частицы во времени в прошлое или будущее, остается неизвестным до тех пор, пока они не будут измерены.
«Хотя эта идея кажется довольно бессмысленной в применении к нашему повседневному опыту, на самом фундаментальном уровне законы Вселенной основаны на квантово-механических принципах«, — говорит Рубино.
Время часто рассматривается как постоянно увеличивающийся параметр, но «наше исследование показывает, что законы, управляющие ее течением в квантово-механическом контексте, гораздо сложнее. Это может говорить о том, что нам необходимо переосмыслить способ представления этой величины во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль».
В сложных системах время всегда движется вперед, но ученые утверждают, что в небольшой стабильной системе они могут обнаружить обратное движение времени.
В квантово-физических экспериментах с небольшим количеством атомов или легких частиц «почти любую операцию можно зарезервировать. Мы рассматривали это как физический процесс, а не как путешествие во времени«, — сказала Ванг, которая не принимала участия в британском исследовании.
«Мы не очень часто рассматриваем эффект времени, потому что движение частиц в квантовых экспериментах обычно намного медленнее скорости света«, — добавила она.
Вопрос времени рассматривался такими великими мыслителями, как Исаак Ньютон, который верил в существование «универсальных часов», управляющих жизнью и смертью всего во Вселенной.
Альберт Эйнштейн опроверг теорию абсолютного времени (и пространства) Ньютона своей теорией относительности, которая утверждала, что для человека, путешествующего со скоростью света, часы перестанут тикать.
По мнению Эйнштейна, человек, путешествующий быстрее света, теоретически мог бы видеть, что время движется вспять. Но далее он сказал, что ничто не движется быстрее света, потому что все было определено с момента рождения Вселенной.
Другими словами, стрела времени всегда направлена вперед.
Рубино и ее коллеги заявили, что общепринятое определение времени применимо к большой системе с большим количеством хаоса. В таких системах действительно невозможно уловить обратное движение во времени. Но в небольшой, стабильной системе это явление легче обнаружить, сказала она.
«В качестве примера можно взять последовательность действий, которые мы совершаем в утренней рутине. Если бы нам показали, как наша зубная паста перемещается с зубной щетки обратно в тюбик, мы бы не сомневались, что это перемотанная назад запись нашего дня«, — сказала она.
Куан Хайтао, профессор физики Пекинского университета, говорит, что вопрос о том, можно ли повернуть время вспять, остается одной из самых фундаментальных проблем квантовой физики.
«Возьмем, к примеру, пустую коробку, разделенную посередине стеной. Если заполнить одну сторону коробки беспорядочно прыгающими шариками для пинг-понга и убрать стенку, то шарики распределятся по всей коробке. Все шарики не вернутся обратно на ту сторону, потому что время нельзя повернуть вспять«, — сказал Куан.
«Но если мы уменьшим количество шариков для пинг-понга в коробке, вероятность того, что это произойдет, увеличится. Это известно как временная симметрия в квантовой физике, которая означает, что время может идти как вперед, так и назад«, — сказал он.
«Почему симметрия исчезает в большой, сложной системе, остается загадкой«.
Что нужно знать о новой квантовой теории времени?
Что такое время и может ли быть так, что все наши представления о нем ошибочны? Если попробовать разобраться, окажется, что человечество воспринимает время достаточно просто – оно движется вперед и не может повернуть назад. Более того, ход времени неумолим и мы никоим образом не можем на него повлиять. Недавно команда исследователей из Центра квантовой динамики Университета Гриффита, Национального института измерений (NMI) и Австралийской организации ядерных наук и технологий (ANSTO) поставила эксперимент, главной целью которого являлась попытка доказать правильность или неправильность современной квантовой теории времени. Новая революционная теория, по мнению ее авторов, может перевернуть все наши представление о времени и пространстве – все потому, что она допускает возможность существования статичной и неизменной Вселенной. Физики предположили, что факт изменения вещей с течением времени не является врожденной особенностью природы, а скорее вызван фундаментальным нарушением симметрии обращения времени, называемым «Т-нарушением». Если ученые окажутся правы, то их работа перевернет все современные представления о времени и пространстве, а также изменит наш взгляд на фундаментальные законы природы.
Ученые хотят доказать, что время движется в разных направлениях с помощью ядерного реактора.
Квантовая теория времени
Современное понимание времени предполагает, что оно течет только в одном направлении – от меньшей энтропии к большей и является фундаментальной характеристикой Вселенной. Еще в 1927 году астроном сэр Артур Эддингтон заявил, что постепенное рассеивание энергии является доказательством необратимости «стрелы времени». Интересно, что само понятие «стрела времени» не соответствует известным законам физики, действующим как в прямом так и в противоположном направлении. Так что если бы кто-то знал пути всех частиц во Вселенной, то смог бы обратить их вспять и энергия стала бы накапливаться, а не рассеиваться.
Интересно и то, что с самого момента зарождения термодинамики (1850-е годы) формула статистического распределения неизвестных траекторий частиц являлась единственным способом расчета распространения энергии. Однако расчеты, выполненные таким образом, демонстрировали, что с течением времени общая картина становилась … все более смазанной. А вот новая квантовая теория времени, выдвинутая физиком-теоретиком, профессором Университета Гриффита Джоан Ваккаро, предполагает, что время может течь и в других направлениях, но мы наблюдаем его течение только в одном направлении – вперед.
Энтропия в точных и естественных науках обозначает меру необратимого рассеивания энергии или ее бесполезности.
Если новая квантовая теория времени окажется правильной, то она перевернет всю физику с ног на голову.
Новая теория, как оказалось, разрабатывалась профессором Ваккаро целых десять лет. Ваккаро сравнила течение времени с ветром, дующим на деревья, отметив, что мы можем видеть движение листьев, но не предполагаем, что листья заставляют ветер дуть через них. Тот факт, что мы можем наблюдать, как вещи меняются с течением времени, не является «встроенной особенностью природы», а вызван «фундаментальным нарушением симметрии обращения времени», известным как «нарушение Т«.
Как пишет Ваккаро, «нарушения Т» не позволяют материи оставаться локализованной во времени. Из-за «T-нарушений» объекты не появляются и не исчезают случайно, они существуют непрерывно. Известные нам законы движения и сохранения массы являются ничем иным как симптомами этих самых «Т-нарушений».
«Если наша теория правильная, то она перевернет все, что и как мы думаем о времени и пространстве, а также о фундаментальных законах, таких как сохранение массы», — отмечает профессор. Полностью с текстом исследования можно ознакомиться на сайте научного журнале «Proceedings of the Royal Society A.»
Хотите всегда быть в курсе последних научных открытий из самых разных областей науки? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!
Доказательства новой теории времени
Итак, согласно полученным в ходе исследования данным, энергия рассеивается, а объекты приходят в равновесие. Происходит это потому, что элементарные частицы при взаимодействии запутываются. Этот странный эффект физики называют «квантовым смешением» или запутанностью. Подробнее о том, что такое квантовая запутанность, я рассказывала в этой статье.
Для проверки своей теории исследователи предприняли не самый простой шаг, отправившись прямиком к ядерному реактору, расположенному в Лукас-Хайтс (Сидней, Австралия), чтобы измерить «Т-нарушения» от нейтрино. Дело в том, что и нейтрино и их аналоги из антивещества (антинейтрино), производятся в ядерных реакторах. Для проведения эксперимента физики установили в разных местах реактора несколько точных атомных часов. Напомню, что атомные часы – это прибор для измерения времени, в котором используются колебания, связанные с происходящими на уровне атомов или молекул процессами.
Антинейтрино – это субатомные частицы, которые проявляют «Т-нарушение». Они движутся сквозь материю невредимыми, поскольку слабо взаимодействуют с ней, и ядерные реакторы производят их огромные потоки.
Идея установки атомных часов заключается в том, что если часы не синхронизируются, то физики станут свидетелями эффекта квантового замедления времени или локальных «T-нарушений». Как отмечают авторы научной работы, практическая сторона новой квантовой теории времени заключается в том, что если у вас есть область с большим количеством нейтрино, например, генерируемых ядерным реактором, то время может двигаться по-другому.
Предполагается, что часы, расположенные вблизи активной зоны реактора, не синхронизируются с более удаленными часами. Это означает, что часы рядом с реактором будут показывать некоторое замедление времени или разницу в прошедшем времени по сравнению с часами, расположенными даже на небольшом расстоянии от реактора. Причина такого эффекта носит чисто квантовый характер и возникает из-за «Т-нарушений» антинейтрино, испускаемых активной зоной реактора. Интересно и то, что несмотря на уже опубликованные результаты, физики в ближайшие шесть месяцев продолжат наблюдения.
Резюмируя столь необычное и сложное исследование, отметим, что впереди у ученых очень много работы. Профессор Ваккаро в официальном заявлении отметила, что «если эффект замедления времени происходит на уровне реактора, нам нужно будет проверить его на других ядерных реакторах, а затем искать эффект в других местах, например, в данных об орбитах планет». А вот уже опубликованная работа может быть использована в качестве основы для новаторских научных исследований в этой области.
Как течёт время на квантовом уровне и почему это происходит?
Законы квантового мира очень сильно отличаются от тех, что мы можем непосредственно наблюдать
Квантовая механика – раздел теоретической физики, описывающий физические явления, действие в которых сравнимо по величине с постоянной Планка.
Ход времени
Обложка замечательной книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова, настоятельно рекомендуем к прочтению
Теория относительности показывает, что создание машины времени, способной переместить нас в будущее действительно возможно. Все, что нужно сделать после ее создания – войти внутрь, подождать некоторое время, а затем выйти – и обнаружить, что на Земле время шло иначе, нежели для вас. То есть намного быстрее. Безусловно, никто на планете не обладает подобными технологиями, но их появление – вопрос времени. Ведь если хорошенько подумать, то что нужно для изобретения такой машины?
Во-первых, она должна разгонятся до околосветовых скоростей (напомню, что скорость света достигает 300 000 км/с), а во-вторых, следует вспомнить знаменитый парадокс близнецов, при помощи которого физики пытаются доказать противоречивость специальной теории относительности, которая гласит, что с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются.
Согласно специальной теории относительности (СТО) все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости.
Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности 106 лет назад
Немного проясним: данный способ предполагает, что машина времени, в которую вы вошли, взлетает, разгоняется до околосветовой скорости, движется так какое-то время (в зависимости от того, как далеко вперед во времени вы направляетесь) и затем возвращается назад. Когда путешествие заканчивается, покинув машину времени вы понимаете, что для вас прошло намного меньше времени, чем для всех жителей Земли – вы совершили путешествие в будущее. Но если отныне мы воспринимаем время по-другому, быть может, законы физики подскажут, как путешествовать в прошлое?
Можно ли отправиться в прошлое?
Кстати, если вы давно не пересматривали «Назад в будущее» – самое время)
Гедель, будучи математиком, прославился тем, что доказал – не все истинные утверждения можно доказать, даже если дело сводится к попытке доказать все истинные утверждения, например, с помощью простой арифметики. Таким образом, подобно принципу неопределенности, теорема Геделя о неполноте может быть фундаментальным ограничением нашей способности познавать и предсказывать Вселенную.
Принцип неопределенности – принцип, сформулированный Гейзенбергом и утверждающий, что нельзя одновременно точно определить и положение, и скорость частицы; чем точнее мы знаем одно, тем менее точно другое.
Интересно, что пространство-время Геделя имело любопытную особенность: Вселенная в его представлении вращалась как целое. А вот Эйнштейн был очень огорчен тем, что его уравнения допускают подобное решение. Общая теория относительности в его понимании не должна позволять путешествия во времени. Уравнение Геделя, однако, не соответствует Вселенной, в которой мы живем, но его труд позволил миру взглянуть на время (а заодно и на Вселенную) иначе.
Итак, пространство-время, как известно, тесно взаимосвязаны. Это означает, что вопрос о путешествиях во времени переплетается с проблемой перемещения на скоростях, превыщающих 300 000 км/с, то есть скорость света. А когда речь заходит о фотонах, общая теория относительности, увы, уходит на задний план, а ее место занимает квантовая механика.
Переход на квантовый уровень
Квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад во времени
Ранее, чтобы понять почему, ученые установили, что время знает только одно направление — вперед. Так что нам с вами придется вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутой системе энтропия системы (то есть мера беспорядка и случайности внутри системы) остается постоянной или увеличивается.
Если наша Вселенная представляет собой замкнутый цикл, свернутый в клубок, ее энтропия никогда не может уменьшиться, а это означает, что Вселенная никогда не вернется в более раннюю точку. Но что, если бы стрела времени «посмотрела» на явления, где изменения энтропии невелики?
Второй закон термодинамики – это статистический закон, в среднем верный для макроскопической системы. В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционируют в сторону ситуаций с более низкой энтропией, – пишут авторы научной работы.
Вот что говорит об этом Джулия Рубино, научный сотрудник Университета Бристоля и ведущий автор новой статьи: «Давайте предположим, что в начале газ в сосуде занимает только его половину. Затем представьте, что мы удаляем клапан, который удерживал его в пределах половины сосуда, так что газ теперь может свободно расширяться по всему сосуду».
Термодинамика хранит в себе множество тайн о нашем мире и Вселенной
В результате мы увидим, что частицы начнут свободно перемещаться по всему объему сосуда. Со временем газ займет весь сосуд. «В принципе, существует ненулевая вероятность того, что в какой-то момент газ естественным образом вернется, чтобы занять половину сосуда, только эта вероятность становится меньше, чем больше становится количество частиц, составляющих газ», – объясняет Рубино.
Если бы существовало только три частицы газа вместо огромного количества газа (состоящего из миллиардов частиц), эти несколько частиц могли бы снова оказаться в той части сосуда, откуда они первоначально стартовали. Вот такая физика.
ОТО допускает путешествия во времени в будущее. С прошлым все намного сложнее
Далее, как вы могли догадаться, следует второй закон термодинамики – так называемый статистический закон, который является верным в среднем для макроскопической системы. «В микроскопической системе мы можем видеть, как система естественным образом эволюционирует в сторону ситуаций с более низкой энтропией», – отмечают исследователи.
Стрела времени
Разрушение суперпозиции состоянии при взаимодействии с окружением с течением времени
Так как же эти сложные физические понятия соотносятся с реальным человеческим опытом? Неужели наконец-то пришло время начать собирать вещи для путешествия назад во времени? Увы.
«Мы, люди, являемся макроскопическими системами. Мы не можем воспринимать эти квантовые суперпозиции временных эволюций», – говорит Рубино. Для нас время действительно движется вперед. Возможно, это тот случай, когда мир немного не определился.
И действительно – на самом фундаментальном уровне мир состоит из квантовых систем (которые могут двигаться вперед и назад). Более глубокое понимание того, как описать течение времени на уровне этих элементарных составляющих, могло бы позволить физикам сформулировать более точные теории для их описания и, в конечном счете, получить более глубокое понимание физических явлений мира, в котором мы живем.
Выводы
Время и пространство неразрывно связаны, но правильно ли мы их понимаем?
Так что, возможно, идея о том, что пространство и время сливаются в один переплетенный континуум, имеет право на жизнь. С тех пор как Альберт Эйнштейн сформулировал теорию относительности, мы перестали воспринимать пространство как трехмерную фигуру, а время — как одномерное.
Время стало четвертым элементом четырехмерного вектора, описывающего пространство и время, — говорит Рубино. Это единая, динамичная сущность, над которой мы все еще ломаем голову.
В заключение же хочу не только поблагодарить читателя за внимание, но и вновь процитировать ученых: «Хотя время часто рассматривается как непрерывно увеличивающийся параметр, наше исследование показывает, что законы, управляющие его течением в квантово-механических контекстах, намного сложнее. Это может означать, что нам нужно переосмыслить то, как мы представляем эту величину во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль».
Принцип возрастания энтропии
Энергия (общая мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи): энергия тела(системы)-это способность тела(системы) совершать работу.
Различные виды энергии:
-механическая (энергия движения макроскопических тел)
-электрическая(энергия возникшая в результате движения электронов между атомами)
-химическая(энергия, вызываемая движением электронов внутри атомов)
-ядерная или атомная (энергия обусловленная взаимодействиями внутри атомов и ядер атомов)
-тепловая(энергия беспорядочного движения молекул и атомов)
Первое начало термодинамики: теплота сообщаемая телу, расходуется на увеличение его внутренний энергии и на совершение этим телом работы.
Закон сохранения энергии(обобщающий первое начало термодинамики):суммарная энергия изолированной системы не изменяется. Из этого закона следует невозможность создания вечного двигателя первого рода.
Второе начало термодинамики. Этот закон термодинамики имеет как минимум три равноправные формулировки. Все они логически эквиваленты между собой и из любой формулировки второго начала математически выводятся две другие.
Первая формулировка 2 начала: Невозможна самопроизвольная передача тепла от холодного тела к теплому. Это же можно выразить следующим образом: теплообмен направлен от горячего к холодному. Этот закон говорит о направленности физических процессов.
Вторая формулировка 2 начала: Никакой двигатель не может преобразовать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью. Эту же формулировку можно трактовать как невозможность создания вечного двигателя второго рода.
Прежде чем приведем третью формулировку, введем понятие энтропии.
Энтропия:
1) Энтропия-это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движении материальных частиц, составляющих систему. Соответственно, повышая упорядоченность системы, энтропия уменьшается.
2) Энтропия-это мера некачественности энергии. Чем больше энтропия системы (т.е. система хаотичней), тем меньше полезной работы та может произвести при заданном запасе энергии, т.к. энтропию можно рассматривать и как количественную меру той теплоты, которая не переходит в работу.
3) Энтропия-это мера необратимого рассеяния энергии.
4)Энтропияявляется мерой отсутствия порядка в системе, мерой ее бесструктурности, мерой отсутствия информации, необходимой для управления системой.
Третья формулировка 2 начала: В изолированной системе энтропия не может убывать. Это формулировка предполагает, что в закрытых системах энтропия может только возрастать и достигнув своего максимума в состоянии теплового равновесия системы, далее она не изменяется. Эта формулировка (энтропия возрастает) предполагает, что в закрытых системах предоставленных самим себе, первоначальный порядок спонтанно переходит в беспорядок и приводит к разрушению первоначальных структур.
2.Энтропия может служить:
-мерой беспорядка и бесструктурности
-мерой некачественности энергии системы
-индикатором направления времени
-количественной мерой той теплоты, которая не переходит в работу.
3. Возможные формулировки второго начала термодинамики:
-с течением времени структуры в замкнутой системе разрушаются
-с течением времени энтропия замкнутой системы возрастает
-теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному
-это закон рассеяния энергии
4. Закон роста энтропии применим лишь к замкнутым системам, и не противоречит выводам биологии (об уменьшении энтропии), имеющим дело с открытыми системами
5. В процессе развития организма (являющимся открытой системой), энтропия может и увеличиваться, и уменьшаться
7. Качество любой формы энергии определяется легкостью ее превращения в другие формы энергии
8. Самая некачественная форма энергии это тепловая при низкой температуре
9. При воздействии на систему извне (т.е. система открыта), можно повысить совершенство системы, степень ее упорядоченности. При этом энтропия системы уменьшается
10. Выброс энергии с Земли в космическое пространство всегда был гораздо меньше, чем поступление ее от Солнца плюс производство на Земле.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
