Физики нашли математическое ограничение для процесса, при котором квантовая система может вести себя так, словно время движется в обратном направлении. В простейшей из рассмотренных моделей эффект сохраняется около одной фемтосекунды — одной квадриллионной доли секунды. Причина связана с тем, что окружающая среда сохраняет информацию о произошедших событиях и постепенно разрушает квантовую согласованность, необходимую для такого эффекта.
Ученые из Израиля провели физики Якир Ааронов и Авшалом Элицур из Израиля. Они вернулись к теоретической концепции квантовой машины перемещения во времени, предложенной Аароновым и его коллегами еще в 1990 году.
Идея основана на квантовой суперпозиции — способности системы находиться сразу в нескольких возможных состояниях. Условные квантовые часы могут одновременно находиться в двух положениях с разной силой гравитации. Согласно теории относительности, в этих условиях время для них будет идти с разной скоростью.
Если затем объединить две ветви системы, они могут взаимодействовать и создавать эффект интерференции. Выбрав определенный результат этого взаимодействия — процедуру, которую физики называют постселекцией, — исследователи теоретически могут получить состояние, соответствующее отрицательному промежутку собственного времени. Иными словами, система будет вести себя так, будто ее эволюция частично происходила в обратном направлении.
Чтобы проверить, насколько далеко можно продвинуть такой эффект, ученые рассмотрели распад атомов. Возбужденный атом со временем теряет энергию и испускает фотон. Ученые предложили мысленный эксперимент: взять 100 возбужденных атомов и дождаться, пока часть из них распадется. Если после прохождения через теоретическую машину возбужденных атомов окажется больше, чем было непосредственно перед этим, это будет свидетельствовать об обращении части процесса распада.
Для такого эксперимента ученые предусмотрели герметичную камеру, в которой находятся сами атомы, испущенное ими излучение и поглощающие свет стенки. Таким образом, вся система рассматривается как единый квантовый объект.
Однако даже в закрытой камере атомы взаимодействуют с электромагнитным полем. Излучение оставляет информацию о произошедшем распаде в окружающей среде. Со временем эта информация мешает двум квантовым ветвям сохранять согласованность, необходимую для интерференции и условного обращения процесса.
В простейшей двухветвевой модели рассчитанное окно для такого эффекта в оптическом примере составляет около одной фемтосекунды. Более сложные варианты теоретической машины могут работать с большим числом квантовых ветвей и потенциально обращать процессы за более продолжительные интервалы. Но вероятность получить нужный результат при этом быстро уменьшается.
Авторы также рассмотрели вопрос о втором законе термодинамики, согласно которому энтропия изолированной системы не уменьшается. По их расчетам, противоречия не возникает: эффект обращения проявляется только в небольшой доле специально отобранных результатов. Если учитывать все возможные исходы, второй закон продолжает выполняться.
Работа не описывает экспериментально созданное устройство и не означает, что ученые научились возвращать время назад. Это теоретическое исследование того, как взаимодействие квантовой системы с окружающей средой связано с необратимостью процессов. Результаты могут помочь объяснить, почему фундаментальные физические уравнения допускают обращение времени, тогда как в повседневном мире события происходят только в одном направлении.
Читайте также: Гравитация может защитить Вселенную от парадоксов путешествий во времени