В квантовой сфере время течет вперед и назад одновременно

В основе классической концепции времени лежит второй закон термодинамики, который связывает прямое движение времени с увеличением полной энтропии, производимой в термодинамическом процессе. Если же энтропия уменьшается, это свидетельствует о движении времени в обратном направлении.

В качестве доказательств течения времени в одном направлении приводятся эмпирические наблюдения: увеличение энтропии во Вселенной, расширение Вселенной, связь причины и следствия.

Привычное определение времени обычно применяется как в классическом, так и в квантовом контексте. Но поскольку законы физики на микроуровне симметричны во времени, то для него не существует предпочтительного временного направления. Также квантовая физика допускает возникновение суперпозиции – одновременного движения вперед и назад во времени.

Все это заставляет ученых переосмысливать привычную концепцию времени. В статье для журнала Communications Physics международная команда ученых привела практические доказательства движения времени в двух направлениях в квантовой сфере.

В своем исследовании физики измерили энтропию в квантовой системе и выяснили, что чаще всего она развивается в одном из двух возможных направлений. Но если возникает малое количество энтропии, то можно наблюдать последствия эволюции системы одновременно в двух направлениях: прямом и обратном. В результате этого термодинамическая стрела времени становится квантово-механически неопределенной.

Таким образом, для микроскопической системы направление стрелки времени оказывается размытым, поскольку как положительные, так и отрицательные изменения энтропии могут наблюдаться с одинаковой вероятностью в одном эксперименте. Соответственно две противоположные стрелки времени становятся классически неразличимыми. 

В качестве иллюстрации этой концепции времени можно привести тюбик, из которого выдавливают зубную пасту. Если выдавить значительное количество, то мы увидим движение во времени только вперед. Движение назад (всасывание пасты в тюбик) для нас будет выглядеть неестественно.

Но если осторожно сжать тюбик, чтобы выдавить минимальное количество пасты, то можно наблюдать, как ее часть всасывается обратно под действием декомпрессии. Это и будет естественное движение назад во времени.

И хотя на макроуровне время по-прежнему считается непрерывно увеличивающимся параметром, новое исследование демонстрирует, что его течение на квантовом уровне может быть намного сложнее. 

Все это приводит ученых к необходимости переосмыслить классические представления о времени применительно к системам, развивающимся по квантовым законам. Также открытие имеет практическое значение: использование квантовых систем в суперпозиции с двумя направлениями развития во времени поможет улучшить работу тепловых машин и холодильных установок.