Физики обосновали, как время может течь обратно в открытой квантовой системе

Течение времени часто описывают через понятия «оси времени» или «стрелы времени». И ось, и стрела имеют начало и направление, а события, расположенные на оси времени, следуют друг за другом, их порядок установлен. Говорят, что время течет в одном направлении и асимметрично.

«Представьте, как пролитое молоко растекается по столу. Ясно, что время движется вперед. Но если воспроизвести это в обратном порядке, как в кино, сразу станет понятно, что что-то не так — трудно поверить, что молоко может собраться обратно в стакан», — прокомментировала доктор Андреа Рокко (Andrea Rocco), доцент кафедры физики и математической биологии Университета Суррея (Великобритания).

Необратимость времени очевидна на практике, но фундаментальные законы физики не запрещают обратного направления течения времени и не отдают предпочтения какому-либо направлению. На микроуровне, когда размеры объектов не видимы невооруженным глазом, физические уравнения остаются неизменными, независимо от того, движется время вперед или назад.

Некоторые процессы выглядят одинаково правдоподобно в обоих направлениях. Например, движение маятника. На самом фундаментальном уровне законы физики описывают скорее маятник, чем разлитую жидкость — не учитывают необратимость физических процессов. 

Команда физиков изучила, как в контексте течения времени организована открытая квантовая система — субатомные частицы, взаимодействующие с окружающей средой. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Ученые исследовали, почему мы воспринимаем время как движущееся в одном направлении, и возникает ли это восприятие из открытой квантовой механики. 

Команда сделала два ключевых предположения. Во-первых, они рассматривали окружающую среду системы так, чтобы сосредоточиться только на самой квантовой системе. Во-вторых, они предположили, что среда — как и вся Вселенная — настолько велика, что энергия и информация рассеиваются в ней, никогда не возвращаясь в исходное состояние. Этот подход позволил им изучить, как время возникает как одностороннее явление, хотя на микроскопическом уровне оно теоретически может двигаться в обоих направлениях. 

После применения этих предположений открытая квантовая система вела себя одинаково, независимо от того, двигалось время вперед или назад. Это заложило основу для предположения, что симметрия времени сохраняется в открытых квантовых системах. А значит, стрела времени может быть не такой фиксированной, как мы ее воспринимаем. 

«Удивительная часть этого проекта заключалась в том, что даже после стандартных упрощений в уравнениях, описывающих открытые квантовые системы, они все равно вели себя одинаково, независимо от направления времени. 

Когда мы тщательно проработали математику, мы обнаружили, что это поведение должно быть таким, потому что ключевая часть уравнения — „ядро памяти” — симметрична во времени», — пояснил Томас Гафф (Thomas Guff), исследователь, руководивший расчетами.

Ученые обнаружили важную деталь: существует разрывный во времени фактор, сохраняющий симметрию. Такие математические механизмы редко встречаются в физических уравнениях, поскольку они не непрерывны. Ученые не ожидали увидеть его естественное возникновение.

Исследование предлагает новый взгляд на одну из самых больших загадок физики. Понимание природы времени может иметь глубокие последствия для квантовой механики, космологии и других областей.