Можно ли повернуть время вспять: Российские физики сообщили о результатах захватывающего исследования
Фото andrey_l/Shutterstock/Fotodom
Почему время течет только вперед, завтра состоится именно завтра, а не вчера, да и фарш провернуть назад как-то не получается? «Куда ж ему еще течь, как речка, под горку, течет себе и течет», ответит читатель. Но не так все просто – что за речка? Что за горка? Группа физиков-теоретиков из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, возглавляемая доктором физико-математических наук, профессором Артемом Валериановичем Юровым выдвинул интересную гипотезу: время направлено вперед потому и только потому, что Вселенная расширяется. В сжимающейся Вселенной следствие опередит причину. Артем Юров с коллегами разрабатывают эксперимент, чтобы уловить сигналы из будущего – если, конечно, такие есть. KP.RU ним поговорил.
ПОЩЕЧИНА ЗДРАВОМУ СМЫСЛУ
Из повседневной жизни мы знаем, что процессы идут в одну сторону и не идут в другую. Капля чернил расплывается в стакане с водой, но не наоборот, дрова обращаются в золу, пепел и дым, но не наоборот, наконец, мы стареем и умираем, но не наоборот. Однако физики исстари знают, что фундаментальные уравнения физики обратимы во времени. Другими словами – физика разрешает как движение «вперед», так и «назад».
- Хорошо, я бы хотел посмотреть на нечто, что движется назад во времени в реальной жизни! – делаю я ход конем, и, как выясняется, стучусь в открытую дверь. Есть такое.
- Все элементарные частицы имеют партнёров — античастицы. Например, электрон и позитрон. Античастицы буквально - это частицы, двигающиеся вспять во времени. Без математики это объяснить сложно, но вот смотрите — допустим, электрон переносит отрицательный заряд из прошлого в будущее. А если бы он «двинулся вспять», то он бы переносил этот заряд из будущего в прошлое. То есть мы, живущие в обычном течении времени (что бы это ни означало) увидим, что из прошлого в будущее переносится положительный заряд! Мы бы восприняли пятившийся вспять электрон как частицу с положительным зарядом — позитрон. Именно это мы и наблюдаем в экспериментах! Это четко поняли два замечательных физика: Джон Уилер и Ричард Фейнман (кстати – нобелевский лауреат). Так что это реальные физические объекты, а не какие-то «удобные варианты расчетов», - говорит Артем Юров и несколько колеблет мою картину мира.
Я-то думал, ну, заряд другой, причем тут время. Это же как полюса батарейки, плюс да минус. А тут вон что…
- Эту теорию красиво проиллюстрировал Кристофер Нолан в «Доводе», - продолжает профессор – но конечно путаницы в этом увлекательном фильме полно. Скажем, «инвертированный антагонист», движущийся вспять во времени, должен состоять из антивещества. Но вещество, встречаясь с антивеществом – аннигилирует – вся масса выделяется в виде колоссальной световой вспышки. Это вот почему происходит: представьте себе электрон, который летит из прошлого в будущее и вдруг, по какой-то причине инвертировался (как антагонист в «Доводе») и теперь движется во времени назад. Что мы увидим со стороны? Мы увидим электрон и позитрон, которые сталкиваются (в момент инверсии) и ... что дальше? После столкновения электрона уже нет (он теперь летит назад во времени, в виде позитрона). Но энергия не может просто взять и исчезнуть – верно? Вот мы и наблюдаем фотон, который уносит энергию, равную два (электрон и позитрон) «эм це квадрат». А теперь вспомним «Довод»: антагонист в аэропорту Осло дерется со своей инверсией из антивещества. Взрыв бы был такой, что от Осло бы ничего не осталось – создатели атомной бомбы «нервно курят в углу». Но это другая история.
Фото LingHK/Shutterstock/Fotodom
УБОРКА ОТМЕНЯЕТСЯ: ЭНТРОПИЯ НАРАСТАЕТ
Итак, мы только что выяснили: время может течь в любом направлении, да, собственно, и течет. Теперь нам предстоит разобраться, почему мочь-то может, и все же в нашем мире, макромире, в промышленных масштабах оно так не делает.
И тут нам предстоит погрузиться в понятие энтропии, которое мы не очень любим, потому что оно обманчиво простое, а начнешь копаться, тонешь в деталях. Что ж, давайте потонем немного.
Очень грубо говоря, энтропия – это мера беспорядка (высокая энтропия – это хаос), и физики часто говорят: Вселенная движется от порядка к беспорядку, от низкой энтропии к высокой, и именно это задает направление стреле времени, называемой термодинамической.
В самом деле. Стакан разбить легко, склеить сложно. Следовательно, высокая энтропия (разбитый стакан) более «естественна», чем низкая (целый стакан). Только на видео, пущенном задом наперед, осколки сами собой собираются в целое. Вероятно, движение «всего Бытия» от порядка к хаосу и не позволяет стакану собраться, а времени – течь в обратном направлении.
Но вот чего я никогда не понимал. Большой взрыв – это же хаос, а звезда – порядок, значит, Вселенная движется как раз к упорядоченности? А вот нет.
- Большой взрыв не был «хаосом». Как раз наоборот — это было очень низкоэнтропийное состояние! А образование звезд и планет на самом деле сопровождается колоссальным ростом энтропии. Так что энтропия росла и растет, - говорит Артем Юров.
Разберем это подробнее на примере живых существ, людей и компьютеров. Все это – сложные «устройства», само появление которых, кажется, противоречит идее роста энтропии. Но это только так кажется.
- Живое – это действительно область с пониженной энтропией, но понижение энтропии в этой области сопровождается повышением ее вокруг, и суммарный баланс всегда в пользу роста энтропии. Пока вы читаете эти строки, синоптические соединения в вашем мозгу выстроились в некотором порядке, и энтропия там понизилась, но в это же время вы излучаете тепло вовне, увеличивая вокруг себя энтропию гораздо в большей степени, чем она уменьшилась у вас в голове. И так со всем в этом мире, в том числе с компьютерами и ИИ, - говорит Артем Юров.
В самом деле: пишут, что на обработку даже одного, пустячного запроса нейросети тратят кучу энергии. И как правило судят-рядят об этом с точки зрения охраны окружающей среды. Вам надо мемчик сгенерировать, а об углеродном следе вы и думать не думаете. Но ведь выделенная вовне энергия, тепло – это и есть рост энтропии.
Выходит, что природа и люди могут создавать упорядоченные зоны, но цена велика: рост беспорядка рядом и вообще. Не склеить разбитую чашку, «не поразбивав много других структур» в окружении.
ЧТО БЫЛО ДО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Возможно, вас зацепила (и вызвала желание поспорить) фраза профессора о том, что в момент Большого взрыва Вселенная была упорядочена. И недаром: эволюция энтропии во Вселенной — это невероятно интересная и запутанная история, которая стала более-менее понятна сравнительно недавно.
- Если коротко: судя по всему, 13.7 миллиарда лет назад, имела место так называемая космологическая инфляция — период чрезвычайно быстрого, взрывного растяжения пространства. Потом, в нашей области, инфляция прекратилась, и остаточная энергия выделилась в виде чрезвычайно большого количества тепла и рождения порядка 10 в 80-й степени частиц (это так много, что «названия» цифры не существует – КП). Эта фаза называется «вторичным разогревом», - говорит Артем Валерианович.
Инфляция сгладила все неоднородности (кроме очень маленьких), и мы получили очень однородную и гладкую вселенную, всюду равномерно заполненную элементарными частицами, которые по мере охлаждения сгруппировались в атомы (главным образом водорода), и так все по-тихому остывало, после огненной пляски вторичного разогрева.
На обработку даже одного, пустячного запроса нейросети тратят кучу энергии. Фото Gorodenkoff/Shutterstock/Fotodom
- В традиционной термодинамике, такое состояние оказывается состоянием с очень высокой энтропией, но это без учета гравитации. А гравитация творит чудеса: «с точки зрения гравитации» газ с малыми неоднородностями — это как раз состояние с очень малой энтропией, а вот состояние, в котором малые неоднородности превратились в звезды, планеты и прочие структуры - суть состояние с большой энтропией! «Так что во Вселенной начали образовываться все эти потрясающе красивые и сложные галактические образования, которые бриллиантами горят на небе (жаль, без телескопа не увидеть), но при этом энтропия росла, как и положено», - говорит Артем Юров.
Именно этот вторичный разогрев мы и называем Большой взрыв! Минуточку-минуточку, так значит Большой взрыв – не начало Вселенной? Мы все проспали, физики и астрономы так давно не считают.
- Сначала инфляция, потом она прекратилась, потом вторичный разогрев и именно это, достаточно рядовое событие мы раньше величали Большим Взрывом. Собственно, космологами термин «Большой взрыв» уже мало используется как синоним начала Вселенной — это теперь другое название вторичного разогрева, - рушит основы нашего мировосприятия профессор Юров.
А вот что было до Большого взрыва? Всегда ли была инфляция и, если нет, то что было ДО инфляции?
- Тут у нас нет ясности, - говорит Артем Юров, - Скажем, знаменитые теоремы, доказанные Пенроузом и Хокингом, о неизбежности начальной сингулярности, не работают в зоне инфляции. Есть другие теоремы, доказанные Виленкиным, Борде и Гутом о том, что неограниченно двигаться назад нельзя даже в инфляционном сценарии, но там не учитываются квантовые эффекты, а как их учитывать мы не знаем — нам нужна квантовая теория гравитации, чтобы разбираться с этими вопросами. А ее у нас, увы, нет.
Более того, физики вообще не уверены, что в этой области имеет смысл говорить о «времени»!
Но самое поразительное: у нас, вероятно есть способ немного заглянуть за огненную завесу Большого взрыва. Возможно, вы подумали о знаменитой «звезде Мафусаила» в созвездии Весов, которая вроде как старше Вселенной (то есть появилась до Большого взрыва), а может, и нет, просто возраст ее определили ошибочно. Пережить Взрыв она бы не смогла, уверен Артем Юров, но:
- Какие-то отпечатки от столкновения с «другими вселенными» (инфляционная космология буквально требует их наличия! Представляете себе?!) могут остаться в так называемом реликтовом излучении — этом Голосе Неба, и, возможно лет через 10-20 нам удастся их найти. Или убедиться, что их нет.
Напомним: реликтовое излучение или космическое микроволновое фоновое излучение – некий электромагнитный фон, который, как считается, оставил после себя Большой взрыв. Этакое эхо. И чего там только, в этом эхе, нет – но это уже другая история.
ПЕРЕПУТАТЬ ПРИЧИНУ И СЛЕДСТВИЕ
Итак, мы узнали, что Вселенная движется «вперед во времени» потому, что во Вселенной нарастает энтропия (беспорядок), и поняли: Большой взрыв – не изначальный хаос и вообще не начало Бытия, а как раз порядок и его, грубо говоря, середина.
А вот теперь перейдем к главному выводу исследования Артема Юрова с коллегами (как именно они пришли к этому результату – см. в разделе «Для самых любопытных»). Вселенная расширяется, и именно поэтому время идет вперед, а звезды излучают свет.
- Значит, во Вселенной, которая сжимается, звезды поглощают свет? – спрашиваю.
Но, похоже, своим вопросом я все слишком упростил. Дело-то не в том, поглощают звезды свет или излучают. А в том, что в сжимающейся вселенной причина лежит в будущем, а не прошлом.
- Обычно мы видим, что фотон вылетает из фонарика, а не залетает в него. Это еще один вид наблюдаемой необратимости, который называется электромагнитной стрелой времени, однако уравнения говорят, что возможен и обратный процесс. Звучит странно и непривычно, но логически тут все нормально. Мы как говорим? Скажем фотон попадаем нам в глаз потому, что он был в прошлом испущен звездой. Это то, что описывает запаздывающая функция Грина (что это такое – см. «Для самых любопытных»). А вот если мы применяем опережающую функцию Грина, то причиной нахождения фотона в моем глазу сейчас является то, что в будущем он будет испущен звездой. Звучит как полная чушь, верно? «Но дело тут не в физике, не в логике или математике, а только в том, что бунтует наш здравый смысл», - говорит Артем Юров.
Нет, я на это пойтить не могу, мне надо посоветоваться с шефом, как говорил герой известного фильма. То есть я посмотрел на звезду и увидел ее, и для того, чтобы я ее увидел, она испустила свет, так, что ли?
- Причинность штука тонкая, - говорит Артем Юров, - Допустим есть два события — А и Б, и они причинно связаны. Как узнать, что причина, а что следствие?
Обычно мы говорим — причина — это событие, которое произошло РАНЬШЕ. Но, логично рассуждая, это ниоткуда не следует. Причина - не событие, которое было раньше, а событие, без которого не было бы второго.
- Например, А - нажатая кнопка, Б — зажженная лампочка. Пусть мы знаем, что, если лампочка светит, значит кнопка 100% нажата, но иногда кнопка нажата, а лампочка НЕ светит. Очевидно: нажатая кнопка причина, а светящаяся лампочка следствие. Но заметьте, нигде не сказано, что кнопка была нажата первой, а лампочка зажглась после этого! - приводит Артем Юров пример, который поймет всякий, кто в темноте искал выключатель.
В обычных условиях мы не сомневаемся, что это так, но вообразите: вы собрали богатую статистику, и получили такие расклады:
- нажатая кнопка - лампочка светит;
- нажатая кнопка - лампочка не светит (перегорела, мало ли);
- отжатая кнопка - лампочка не светит;
Но никогда не бывает вот так:
- отжатая кнопка - лампочка светит.
Ваш вывод: причиной света лампочки всегда является нажатая кнопка. Иногда кнопка не срабатывает, но всегда причина - нажатие кнопки, а свет лампочки — следствие. Прекрасно.
- Но вдруг вы узнаете, что нажатие кнопки всегда происходило позднее зажигания лампочки! Вы будете потрясены, но хочешь-не хочешь, вам придется признать, что причина происходит позднее следствия! – говорит Артем Валерианович.
Так вот, калининградские физики высказывают гипотезу, что именно так все и происходит в сжимающейся Вселенной! Ну, если, конечно, там есть Эдисон и лампочки.
А КАК ПРОВЕРИТЬ?
Хороший теоретик всегда предложит эксперимент, чтобы проверить построения своей гипотезы. Есть ли способ практикой поверить стрелу времени Артема Юрова? Да. Профессор объясняет суть:
- Сейчас считается, что Вселенная скорее всего будет расширяться вечно, однако такие крупнейшие космологи, как Виленкин и Гаррига, приводят очень сильные теоретические аргументы в пользу того, что в будущем расширение сменится сжатием.
По их мнению, существует некое поле, плотность энергии которого ползет вниз (и именно поэтому темная энергия имеет такую маленькую плотность), а значит, через определенное время эта плотность станет отрицательной. И Вселенная начнет стремительно схлопываться.
- И вот тут в игру вступаем мы с нашей моделью, - говорит Артем Юров, - Согласно ей, в будущем начнется движение «вспять во времени». Такой разворот стрелы времени, наверное, не произойдет мгновенно везде, то есть возникнет некий промежуточный слой. Если этот слой, эта промежуточная область находится не очень далеко от нас, можно ожидать своеобразных эффектов, некоторого электромагнитного «шума», который, по сути, приходит из будущего! Мы пытаемся сейчас рассчитать ожидаемые характеристики этого излучения и на основании этих расчетов сформулировать программу поиска такого рода излучения из космоса.
Вот так эксперимент: услышать сигналы из будущего! Дух захватывает. Что ж, пожелаем удачи нашим теоретикам. Российская и советская школа теоретической физики и космологии всегда была в авангарде – а что может быть авангарднее того, чего еще и не произошло.
ВОПРОС-РЕБРОМ
Как предвидеть будущее, не привлекая внимания санитаров
Возле красивых теорий всегда вьются «интерпретаторы», ищущие «скрытый смысл» и практикующие всякую эзотерику. Предвидим, что и вокруг конструкций Артема Юрова начнется движуха. А мы опередим, и спросим у него самого про этакое всякое.
- А может, человек во сне чует квантовую механику, и действительно видит будущее? Или гадатели-экстрасенсы?
- Я не знаю ни одного примера, который бы неоспоримо свидетельствовал, что вся эта «мистерия» реальна. Если появится — придется разбираться, но пока разбираться не с чем! Я понимаю, что людям хочется в это верить, и именно поэтому они в это верят. Но науке нужны факты, на основе которых мы строим теорию. А тут фактов нет. Как и с телепатией, ясновидением и прочим подобным.
- Многие считают, что время вообще иллюзия, созданная мозгом.
- Мозг — физический объект. Он состоит из атомов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитных полей, а еще точнее — посредством фотонов. Фотоны подчиняются уравнению Шредингера, и значит, их динамика описывается запаздывающей функцией Грина, а это так называемая электромагнитная стрела времени. Так что наш мозг работает именно так, как и все остальные объекты в расширяющейся Вселенной.
- Есть ли зоны во Вселенной, где время идет назад или просто стоит?
- В расширяющейся Вселенной, в рамках нашей модели, время везде идет «вперед». Оно не может идти «назад». Что касается «остановки времени», то такие поразительные области давно предсказаны теоретиками. Это так называемые горизонты черных дыр. Если забыть про излучение Хокинга, то картина выглядит так: допустим на черную дыру падает наблюдатель, а вы говорите с ним по зуму, скайпу или яндекс-телемосту. Вы обнаружите, что ваш приятель говорит все более медленно, все, что с ним происходит, тормозится, и в конце концов окажется, что он просто зависает над горизонтом, практически не двигаясь. На самом деле, он асимптотически приближается к горизонту, но — с точки зрения внешнего наблюдателя — НИКОГДА не пересечет его. Это и означает, что в определенном смысле, время на горизонте останавливается. Сразу скажу, что в системе падающего наблюдателя он свободно падает, а с учетом квантовых эффектов картина становится еще более сюрреалистической, но это другая история.
ВАЖНО
Для самых любопытных: как именно ученые получают свои результаты?
Мы не читаем оригиналов научных статей. И у нас возникает ощущение, что ученые просто придумывают свои конструкции: а почему бы, мол, и не так. Правда, ученые еще и делают расчеты, но как именно и что это за расчеты? Давайте посмотрим на примере «теории Юрова»: наше объяснение, конечно, будет предельно упрощенным.
В квантовой механике есть фундаментальное уравнение, уравнение Шредингера (про кота вы наверняка слышали, а вот – уравнение). Если его обобщить, и распространить на относительно медленные (нерелятивистские, сильно медленнее света) заряженные частицы со спином, получится уравнение Паули.
В уравнении Паули есть параметр g (гиромагнитное соотношение), он равен 2, и уравнение Паули не объясняет, почему так.
С другой стороны, есть такое же фундаментальное уравнение, как у Шредингера, уравнение Клейна-Гордона. Из него выводится уравнение Дирака, и вот уже оно объясняет, почему в уравнении Паули g=2. Квест? Да.
- Мы повторили эту же процедуру, стартуя с уравнения Клейна-Гордона в расширяющейся вселенной, сделав по пути не вполне законную математическую процедуру, с которой могут не согласиться многие, и используя предположение о малости гравитационного поля, - говорит Артем Юров, - Однако в результате мы получили аналог уравнения Паули-Шредингера, в котором сидит стрела времени, что нас поразило!
Дело в том, что обычное уравнение Шредингера не содержит никакой «стрелы времени», и оно может описывать движение и вперед, и назад во времени. Для этого используется специальный математический объект под названием функция Грина. Есть функция Грина, описывающая «движение» вперед во времени, и она называется запаздывающей функцией Грина, а есть и странная, но математически столь же корректная опережающая функция Грина («время задом наперед»). Какую функцию Грина выбрать – зависит от физика. Как правило, физик выбирает запаздывающую функцию, исходя из «здравого смысла»: мы же знаем, что время идет вперед.
- Так вот, в нашем уравнении оказалось, что, если вселенная расширяется, то автоматически применима только запаздывающая функция Грина, а если сжимается — опережающая! Мы сами этого не ожидали, - резюмирует Антон Юров.
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ