Млечный Путь № 4 2020

Шимон Давиденко
ОБО ВСЕМ - ПОПУЛЯРНО

Мы вновь обращаемся к научно-популярному интернет-порталу Medium (https://medium.com/), где публикуются короткие, но очень содержательные статьи обо всех научных проблемах современности. Вот несколько интересных материалов.

Итан Сигель

Такая сложная теория...

Трудно представить, насколько революционным является рассмотрение Вселенной с точки зрения Эйнштейна, а не Ньютона. Согласно механике Ньютона и ньютоновской гравитации, Вселенная представляет собой полностью детерминированную систему. Если бы вы дали ученому знание о массах, положениях и импульсах каждой частицы во Вселенной, он мог бы определить, где будет находиться любая частица и что она будет делать в любой момент в будущем.

Теоретически уравнения Эйнштейна также детерминированы, поэтому вы можете представить, что и в этом случае произойдет нечто подобное: если бы вы могли знать только массу, положение и импульс каждой частицы во Вселенной, вы могли бы вычислить что угодно настолько далеко в будущем, насколько вы. готов смотреть. Тем не менее, вы можете написать уравнения, которые будут определять поведение частиц в ньютоновской Вселенной, но практически не сможете достичь того же во Вселенной, управляемой общей теорией относительности. Вот почему.

В ньютоновской Вселенной каждый массивный объект действует с четко определенной гравитационной силой на любой другой объект во Вселенной. Вы можете определить гравитационную силу между каждой существующей парой масс, а затем просто вычислить общую ньютоновскую гравитационную силу. Эта сила также сообщает вам, как эта масса будет двигаться (потому что F = ma), и именно так вы можете определить эволюцию Вселенной.

Но в общей теории относительности задача гораздо сложнее. Даже если бы вы знали те же самые фрагменты информации - положения, массы и импульсы каждой частицы - плюс конкретную релятивистскую систему отсчета, этого было бы недостаточно, чтобы определить, как все будет развиваться. Структура величайшей теории Эйнштейна слишком сложна для этого.

В общей теории относительности не результирующая сила, действующая на объект, определяет его движение и ускорение, а кривизна пространства (и пространства-времени) как такового. Это сразу же создает проблему, потому что сущность, определяющая кривизну пространства, - это вся материя и энергия, присутствующие во Вселенной, включая гораздо больше, чем просто положения и импульсы массивных частиц, которые у нас есть.

В общей теории относительности, в отличие от ньютоновской гравитации, взаимодействие любой массы, которую вы рассматриваете, также играет роль: тот факт, что она имеет энергию, означает, что она также деформирует ткань пространства-времени. Когда у вас есть два любых массивных объекта, движущихся и/или ускоряющихся относительно друг друга в космосе, это вызывает также испускание гравитационного излучения. Это излучение распространяется со скоростью света. Учесть этот фактор чрезвычайно сложно.

Вы можете легко записать уравнения, управляющие любой системой, которую вы можете себе представить в ньютоновской Вселенной, но это является огромной проблемой во Вселенной, управляемой общей теорией относительности. Множество вещей может повлиять на то, как само пространство искривляется или иным образом развивается со временем. Мы часто даже не можем записать уравнения, описывающие форму даже простой модели Вселенной.

Наглядный пример - представить простейшую из возможных Вселенных: пустую Вселенную без материи и энергии, которая не менялась со временем. Это вполне правдоподобно и представляет собой частный случай, который описывается старой простой специальной теорией относительности и плоским евклидовым пространством. Это самый простой и самый неинтересный случай.

Теперь сделайте более сложный шаг: возьмите точечную массу и поместите ее в любом месте Вселенной. Вы обнаружите, что внезапно пространство-время сильно изменилось.

Вместо плоского евклидова пространства возникло пространство искривленное, независимо от того, как далеко вы находитесь от массы. Мы обнаруживаем, что чем ближе вы к массе, тем быстрее пространство под вами "течет" к месту расположения этой точечной массы. Существует определенное расстояние, на котором вы пересечете горизонт событий: точку невозврата, откуда вы не сможете сбежать, даже если бы двигались сколь угодно близко к скорости света.

Это пространство-время намного сложнее, чем пустое пространство, а ведь все, что мы сделали, это добавили одну массу. Это было первое точное, нетривиальное решение, когда-либо обнаруженное в общей теории относительности: решение Шварцшильда, которое соответствует невращающейся черной дыре.

Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет, как движущаяся дорожка или водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если вы бежите (или плывете) со скоростью света, вы не сможете преодолеть поток пространства-времени, который втягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолеть силу тяжести.

За последнее столетие было найдено много точных решений уравнений Эйнштейна, но они не намного сложнее и включают:

- идеальные жидкие растворы, в которых энергия, импульс, давление и напряжение сдвига жидкости определяют ваше пространство-время,

- электровакуумные растворы, в которых могут существовать гравитационные, электрические и магнитные поля (но не массы, электрические заряды или токи),

- решения скалярного поля, включая космологическую постоянную, темную энергию, инфляционное пространство-время,

- решения с одной точечной массой, которая вращается (Керр), имеет заряд (Рейсснер-Нордстрем) или одновременно вращается и имеет заряд (Керр-Ньюман),

- или жидкий раствор с точечной массой (например, пространство Шварцшильда-де Ситтера).

Эти решения чрезвычайно просты и не включают самую базовую гравитационную систему, которую мы рассматриваем все время: Вселенную, где две массы гравитационно связаны друг с другом.

Было проведено бесчисленное количество научных проверок общей теории относительности Эйнштейна, в результате чего эта теория выдержала самые строгие ограничения, когда-либо установленные человечеством. Первое решение Эйнштейна касалось предела слабого поля вокруг единственной массы, такой как Солнце; Эйнштейн с поразительным успехом применил эти результаты к нашей Солнечной системе. Мы можем рассматривать орбиту Земли (или любой другой планеты), как прямю линию в ее собственной системе отсчета. Все массы и все источники энергии вносят вклад в искривление пространства-времени, но мы можем рассчитать орбиту Земля-Солнце только приблизительно, а не точно.

Эта проблема - проблема двух тел в общей теории относительности - не может быть решена точно. Не существует точного аналитического решения для пространства-времени с более чем одной массой в нем, и считается (но, насколько мне известно, не доказано), что такое решение невозможно.

Вместо этого все, что мы можем, это делать предположения и либо выделить некоторые приближенные величины более высокого порядка (постньютоновское разложение), либо изучить конкретную формулировку проблемы и попытаться решить ее численно. Достижения в области численной теории относительности, особенно в 1990-х годах и позже, позволили астрофизикам рассчитывать и определять шаблоны для различных типов гравитационных волн во Вселенной, включая приближенные решения для двух сливающихся черных дыр. Всякий раз, когда установки LIGO или Libra обнаруживают гравитационные волны, это результат теоретических исследований, сделавших возможным наблюдение.

Тем не менее, есть некоторое количество проблем, которые мы можем решить, по крайней мере приблизительно, используя решения, которые мы действительно понимаем. Мы можем исправить то, что происходит в неоднородном участке гладкой, заполненной жидкостью Вселенной, чтобы узнать, как сверхплотные области растут, а разреженные - сжимаются.

Мы можем определить, чем поведение эйнштейновской системы отличается от ньютоновской, а затем применить эти поправки к более сложной системе, которую, возможно, не сможем решить.

Или мы можем разработать новые численные методы для решения проблем, которые совершенно неразрешимы с теоретической точки зрения; пока гравитационные поля относительно слабы (т.е. мы не слишком близки к слишком большой массе), это правдоподобный подход.

Тем не менее, общая теория относительности ставит уникальный набор проблем, которые не возникают в ньютоновской Вселенной. Факты таковы:

- кривизна пространства постоянно меняется,

- каждая масса имеет свою собственную энергию, которая также изменяет кривизну пространства-времени,

- объекты, движущиеся в искривленном пространстве, взаимодействуют с ним и испускают гравитационное излучение,

- все генерируемые гравитационные сигналы движутся только со скоростью света,

и скорость объекта относительно любого другого объекта приводит к релятивистскому преобразованию (сокращение длины и замедление времени), которое необходимо учитывать.

Один из самых ценных уроков, которые я когда-либо получил в своей жизни, я получил в первый день моего первого урока математики в колледже по дифференциальным уравнениям. Профессор сказал нам: "Большинство существующих дифференциальных уравнений невозможно решить. И вы не можете решить большинство дифференциальных уравнений, которые, в принципе, можно решить". В этом и состоит общая теория относительности - серия связанных дифференциальных уравнений - и трудности, которые она представляет для всех, кто ее изучает.

Мы даже не можем записать уравнения поля Эйнштейна, которые описывают большинство пространств-времен или большинство Вселенных, которые мы можем себе представить. Большинство уравнений из тех, что мы можем записать, невозможно решить. И большинство из тех уравнений, которые можно решить, не могут быть решены ни мной, ни вами, ни кем-либо еще. Но все же мы можем делать приближения, которые позволяют делать некоторые значимые прогнозы и описания. В великой схеме космоса многое предстоит сделать, и мы не сдадимся, пока не доберемся до цели.

Итан Сигель

Тайна двухщелевого эксперимента

Когда мы разделяем материю на мельчайшие возможные части, из которых она состоит - на материал, который нельзя делить дальше, - эти неделимые части, к которым мы приходим, называются квантами. Но каждый раз, когда мы задаем вопрос: как ведет себя каждый отдельный квант, это сложная история. Они ведут себя как частицы? Или они ведут себя как волны?

Самый загадочный факт квантовой механики заключается в том, что ответ, который вы получите, зависит от того, как вы смотрите на отдельные кванты, являющиеся частью эксперимента. Если вы проведете определенные классы измерений и наблюдений, ваши объекты будут вести себя как частицы; если вы сделаете другой выбор, они будут вести себя как волны. Влияет на результат и то, как вы наблюдаете за своим экспериментом, и эксперимент с двумя щелями - идеальный способ показать, как это происходит.

Более 200 лет назад Томас Янг провел первый эксперимент с двойной щелью, который показал, что свет ведет себя то как волна, то как частица. Ньютон, как известно, утверждал, что свет это частица или корпускула, и с помощью этой идеи он смог объяснить ряд явлений. Отражение, пропускание, преломление и любые лучевые оптические явления полностью соответствовали представлению Ньютона о том, как должен вести себя свет.

Но для объяснения других явлений, казалось, требовались волны: в частности, интерференция и дифракция. Когда вы пропускали свет через двойную щель, он вел себя так же, как водяные волны, создавая знакомую картину интерференции. Светлые и темные пятна, появившиеся на экране за щелью, соответствовали конструктивно-деструктивной интерференции, указывая на то, что - по крайней мере, при определенных обстоятельствах - свет ведет себя как волна.

Если у вас есть две щели очень близко друг к другу, естественно, что любой отдельный квант энергии пройдет либо через одну щель, либо через другую. Вы можете подумать, что причина того, что свет создает эту интерференционную картину, заключается в том, что у вас есть много разных квантов света - фотонов, которые проходят через различные щели вместе и интерферируют друг с другом.

Вы берете другой набор квантовых объектов, таких как электроны, и запускаете их также через две щели. Вы получаете интерференционную картину, но теперь вы можете сделать настройку: запускаете электроны по одному через щели. С каждым новым электроном вы записываете новую точку данных о том, в каком месте мишени он "приземлился". После тысяч и тысяч электронов вы, наконец, смотрите на возникающую закономерность. А что видите? Интерференцию. Каким-то образом каждый электрон мешает самому себе, действуя в основном как волна.

На протяжении многих десятилетий физики ломали голову и спорили о том, что это означает на самом деле. Электрон проходит через обе щели одновременно, как-то мешая себе? Это кажется нелогичным и физически невозможным, но у нас есть способ определить, правда это или нет: мы можем это измерить.

Итак, мы поставили тот же эксперимент, но на этот раз у нас есть небольшой поток света, которым мы освещаем каждую из двух щелей. Когда электрон проходит сквозь щель, свет слегка "возмущается", поэтому мы можем "пометить", через какую из двух щелей прошел электрон. С каждым электроном, который проходит сквозь щель, мы получаем сигнал, исходящий из одной из двух щелей. Наконец-то каждый электрон посчитан, и мы знаем, через какую щель он прошел. И вот, в конце концов, когда мы смотрим на экран, мы видим, что интерференционной картины больше нет.

Что происходит? Как будто электроны "знают", смотрите вы на них или нет. Сам акт наблюдения за этой установкой - вопрос "через какую щель прошел каждый электрон?" - меняет исход эксперимента.

Если вы измеряете, через какую щель проходит квант, он ведет себя так, как будто проходит через одну и только одну щель: он ведет себя как классическая частица. Если вы не измеряете, через какую щель проходит квант, он ведет себя как волна, действуя так, как будто он прошел через обе щели одновременно, создавая интерференционную картину.

Что на самом деле здесь происходит? Чтобы это выяснить, нам нужно провести больше экспериментов.

Один из экспериментов, который вы можете устроить, - это поставить подвижную маску перед обеими щелями, при этом по-прежнему пропуская через них электроны по одному. Практически это теперь осуществляется следующим образом:

- подвижная маска с отверстием начинается с блокировки обеих щелей,

- маска перемещается, так что первая щель становится незамеченной,

- маска продолжает движение, так что вторая щель тоже не маскируется (вместе с первой),

- маска продолжает движение до тех пор, пока первая щель снова не будет перекрыта (но вторая еще не будет замаскирована),

- и, наконец, обе щели снова закрываются.

Как меняется узор?

Как и следовало ожидать:

- вы видите узор с одной щелью (без помех), если открыта только одна щель,

- двухщелевой (интерференционный) рисунок, если обе щели открыты,

- и гибрид двух вариантов.

Когда оба пути доступны одновременно, без ограничений, вы получаете интерференцию и волнообразное поведение. Но если у вас есть только один доступный путь или если какой-то путь каким-то образом ограничен, вы получите поведение, подобное частицам.

Итак, мы возвращаемся к тому, что обе щели находятся в "открытом" положении, и освещаем обе, когда пропускаем электроны по одному через двойные щели.

Если свет является одновременно энергетическим (высокая энергия каждого фотона) и интенсивным (большое количество фотонов), вы вообще не получите интерференционной картины. 100% ваших электронов будут измеряться на самих щелях, и вы получите результаты, которые ожидаете только от классических частиц.

Но если вы снизите энергию на фотон, вы обнаружите, что, когда вы опускаетесь ниже определенного энергетического порога, свет не взаимодействует с каждым электроном. Некоторые электроны пройдут через щели, не регистрируясь, через какую щель они прошли, и вы начнете возвращать интерференционную картину, когда снизите энергию фотонов.

То же самое и с интенсивностью: когда вы ее понижаете, узор "два ворса" медленно исчезает, сменяясь узором интерференции, а если увеличиваете интенсивность, все следы интерференции исчезают.

И тогда у вас появляется блестящая идея использовать фотоны, чтобы измерить, через какую щель проходит каждый электрон, но уничтожить эту информацию, прежде чем смотреть на экран.

Эта идея известна как эксперимент с квантовым ластиком, и он дает удивительный результат: если вы уничтожите информацию в достаточной степени, даже после измерения, через какую щель прошли частицы, вы увидите на экране интерференционный узор.

Каким-то образом природа знает, есть ли у нас информация, которая "отмечает" прорезь, через которую прошла квантовая частица. Если частица каким-либо образом помечена, вы не получите интерференционной картины, когда посмотрите на экран; если частица не помечена (или была измерена, а затем снята с пометки, уничтожив ее информацию), вы получите картину интерференции.

Мы даже пытались провести эксперимент с квантовыми частицами, квантовое состояние которых было "сжато", чтобы быть более узким, чем нормальное, и они не только демонстрируют ту же квантовую странность, но и получаемая интерференционная картина также сжимается по сравнению со стандартным двойным щелевым узором.

В свете всей этой информации очень соблазнительно задаться вопросом, о чем спрашивали тысячи и тысячи ученых и студентов-физиков: что все это говорит о природе реальности?

Означает ли это, что природа по своей сути недетерминирована?

Означает ли это, что то, что мы сохраняем или разрушаем сегодня, может повлиять на исход событий, которые уже должны были быть определены в прошлом?

Что наблюдатель играет фундаментальную роль в определении того, что реально?

Ответ, к сожалению, заключается в том, что мы не можем сделать вывод, является ли природа детерминированной или нет, локальной или нелокальной, или реальна ли волновая функция. Эксперимент с двойной прорезью показывает настолько полное описание реальности, насколько вы когда-либо собираетесь получить. Знать результаты любого эксперимента, который мы можем провести, - это настолько далекая перспектива, насколько нам позволяет физика. Остальное - всего лишь интерпретация.

Если ваша интерпретация квантовой физики может успешно объяснить то, что нам показывают эксперименты, значит, все остальные недействительны. Все остальное - эстетика, и хотя люди могут спорить о своей любимой интерпретации, никто не может претендовать на то, что она "настоящая" больше, чем любая другая. Но в этих экспериментальных результатах можно найти суть квантовой физики. Мы навязываем Вселенной свои предпочтения на свой страх и риск. Единственный путь к пониманию - это прислушиваться к тому, что Вселенная говорит нам о себе.

Тим Андерсен, доктор философии

Стрела времени: возможно, мы сможем вспомнить будущее

Я наливаю воду в кружку и ставлю кружку в микроволновую печь. Чтобы довести до кипения, требуется две минуты при высокой температуре. Микроволновая печь издает звуковой сигнал, и я бросаю чайный пакетик, конечно же "Эрл Грей", прислушиваясь к звукам пузырей.

Чай очень горячий, я достаю кружку и ставлю на стойку, чтобы чай заварился.

Предположим, я сейчас воспроизведу это в обратном порядке.

Беру со стойки горячую чашку. Кладу ее в микроволновую печь и достаю чайный пакетик. Микроволновая печь издает звуковой сигнал, а часы идут две минуты, пока чай внутри остывает до комнатной температуры. Микроволновое излучение внутри отводит тепло и сохраняет его в виде электричества. Теперь вода комнатной температуры. Я достаю чашку, и вода выливается в кран.

Почему это имеет смысл в одном направлении, а в другом - нет?

Все дело в причине и следствии.

Микроволновая печь является причиной нагрева воды. Нагрев воды - это эффект. Если вы перевернете процесс, в этом нет смысла.

Причина, по которой вещи имеют смысл в определенном порядке от причины к следствию, связана со вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия, уровень беспорядка в системе, всегда должна возрастать. Таким образом, кажется, что причина должна иметь меньшую энтропию, чем ее следствие.

Предположим, я уронил кружку с чаем на пол. Кружка разлетается на куски. Чай разливается по полу. Энтропия кружки и чая увеличилась из-за того, что им позволили разбиться и пролиться. Одно должно быть причиной другого.

Термодинамика была разработана в конце 18 века и сводится к своду законов. Вот два основных закона:

1. Энергия не может быть создана или уничтожена.

2. Энтропия со временем должна возрастать.

Закон N1 - это абсолютный закон физики. Его строго соблюдают даже в квантовой механике.

Закон N 2, однако, является законом физики "де-факто". Его не соблюдают строго, а соблюдают только в среднем. Итак, средние значения в термодинамике имеют тенденцию быть довольно надежными, потому что, если каждая частица делает ставки и есть триллионы триллионов частиц, тогда закон больших чисел говорит, что среднее значение так же хорошо, как закон. Но это все еще не строгий закон физики.

Все строгие законы физики "обратимы во времени", что означает, что причины и следствия фактически взаимозаменяемы. Теоретически, в закрытой системе чашка может подпрыгнуть и собраться заново. Это просто маловероятно.

Любому энтузиасту физики все это известно, но мало известно, почему это так. Почему энтропия увеличивается в одном направлении, а не в другом? Если все физические процессы обратимы во времени, то это должно позволить некоторым процессам увеличивать энтропию в одном направлении, в то время как другие увеличивают энтропию в обратном направлении времени. Однако мы не видим, чтобы это произошло на самом деле. Энтропия всех физических процессов увеличивается только в одном направлении.

Главный вопрос: почему?

Эта проблема называется проблемой стрелы времени.

Было предложено довольно много решений этой дилеммы:

1. Вселенная просто началась в состоянии с низкой энтропией. Это спонтанно и вряд ли объясняет, почему всегда наблюдается рост энтропии.

2. Расширение Вселенной направляет термодинамическую стрелу времени в одном направлении. Почему это должно быть так, неизвестно, поскольку термодинамическая стрела относится ко всем системам, независимо от их размеров.

3. Физические законы неполны и должны отражать необратимые процессы, вещи, которые не симметричны во времени. Текущие физические законы зависят от этой симметрии, поэтому было бы большим прорывом обнаружить, что временная симметрия не соблюдается (это будет называться нарушением зарядовой четности или времени CPT и будет столь же значительным, как демонстрация нарушения симметрии Лоренца). .

4. Квантовая декогеренция - это взаимодействие чистых квантовых состояний (таких как изолированные частицы) с макроскопическими объектами - вызывает стрелу времени. Для меня это просто перевод вопроса от энтропии к декогеренции. Почему декогеренция в одном направлении, а не в другом, если квантовая механика обратима во времени?

Однако наиболее действенное решение проблемы сосредоточено не на дефекте физического закона, а на нас или, точнее, на любой информационной системе.

Это информационная или основанная на памяти стрела времени, которая указывает, что информационное содержание системы, то есть ее память, увеличивается с увеличением энтропии. Таким образом, во всех системах хранения информации время течет в сторону увеличения энтропии, несмотря на то, что время обратимо.

Никакие процессы, которые развиваются в сторону более низкой энтропии, не запоминаются.

В 1950 году Эрвин Шредингер, один из основоположников квантовой механики, описал эту точку зрения с помощью статистической механики. Предположим, у вас есть система в неравновесном состоянии, например, кристалл, набравший энергию и плавящийся в жидкость. Теперь, прежде чем он достигнет равновесия, вы разделите его на четыре изолированные части.

Шредингер показал, что каждая из этих частей выберет направление времени и будет развиваться к равновесию в этом направлении. Эволюция замкнутой изолированной системы определит для себя направление времени. Следовательно, время t Эйнштейна, Ньютона и даже Больцмана отличается от феноменологической, то есть наблюдаемой стрелы времени, которая есть t или -t. В отличие от физического времени, феноменологическое время, время, которое мы переживаем, представляет собой градиент энтропии, путь увеличения, который определяется через пространство-время.

Информационная теория времени сочетает стрелу градиента энтропии Шредингера с теорией информации Шеннона.

Клод Шеннон был просто еще одним исследователем в Bell Labs, работавшим над телефонной системой. Учитывая, что телефонная система тесно связана с передачей информации, он начал думать о том, как охарактеризовать информацию с точки зрения энтропии. Он разработал теорию, согласно которой энтропия связана с количеством битов, двоичных нулей и единиц, которые может нести система. Это связано с количеством различных конфигураций, которые может иметь система. Система с низкой энтропией может иметь только несколько конфигураций, то есть всего несколько бит. Система с высокой энтропией может иметь множество конфигураций, очень много битов.

Эта взаимосвязь предполагает, что течение времени, которое мы воспринимаем, и градиент энтропии связаны с направлением роста информации. Что еще более важно, это также предполагает, что, хотя рост энтропии добавляет воспоминания, уменьшение энтропии уносит их.

Эта теория была усилена с помощью квантовой теории информации в 2009 году в потрясающей статье итальянского исследователя Лоренцо Макконе. Макконе показал, что феноменологическое время может течь в любом направлении, как указал Шредингер, и как того требует обратимость времени. Квантовая механика, однако, утверждает, что процессы, уменьшающие энтропию, не могут оставить никаких следов. То есть процессы уменьшения энтропии фактически устраняют тот факт, что они произошли, как если бы время бежало в обратном направлении.

Макконе разрабатывает свою теорию, используя математику квантовой механики, используя волновые функции в гильбертовых пространствах (существуют бесконечномерные пространства, которые гарантируют двустороннее преобразование Фурье). Чтобы проиллюстрировать эту идею, Макконе предлагает следующий мысленный эксперимент:

Алиса находится в лаборатории, которая полностью изолирована, так что она развивается как законченное квантовое состояние.

Боб посылает ей немного энергии в виде света.

Алиса обнаруживает энергию с помощью детекторов, которые нагреваются при воздействии света. Она не проводит никаких измерений световых мод Боба, потому что энергия была преобразована в энтропию, как термодинамическое тепло.

Боб хочет вернуть свою энергию, т.е. хочет повернуть вспять энергетический процесс. Для этого он должен удалить энтропию, то есть устранить любую корреляцию между энергией, которую он ей послал, и ее инструментами, включая любые сделанные ею лабораторные записи. Если бы у него была эта сила, он мог бы вернуть ее лабораторию в состояние с более низкой энтропией и восстановить энергию. Но в результате Алиса не будет помнить о событии, лабораторные записи пусты, детекторы в порядке.

Таким образом, в процессе обращения энтропии система должна устранить любые корреляции с тем, что произошло. Ни корреляций, ни информации, ни памяти.

В примере Шредингера те из четырех замкнутых систем, которые работают в обратном времени, не могут быть изучены физикой, потому что их эволюция как будто вообще не происходила. Поэтому вместо того, чтобы видеть системы, как если бы они работали в обратном направлении, мы бы не осознавали их. Наша память и состояние любого другого оборудования, которое мы использовали, исчезли бы.

Действительно, закрытые системы могут работать в обратном времени все "время" в нашей Вселенной, но у нас нет возможности их обнаружить, потому что они скрываются со своим информационным содержанием. Это было бы похоже на попытку увидеть будущее.

Дополнительный и более странный вывод заключается в том, что мы могли бы "вспомнить" процессы в прошлом и потерять эти воспоминания в будущем. То есть процесс, обратный нашему собственному феноменологическому направлению, удаляет информационное содержание (квантовые корреляции) о его существовании, что предполагает, что в прошлом эта информация существовала и уменьшалась.

Может ли это означать, что мы можем помнить будущее?

Что ж, да и нет, как макроскопические существа мы сильно коррелированы друг с другом, и одно из требований к системам, которые должны двигаться в противоположных феноменологических направлениях, состоит в том, что они должны быть почти полностью изолированы друг от друга.

Не обращая внимания на этот факт, вернемся к чашке чая:

В то время, как чайная чашка может подняться с пола и снова собраться в моей руке, квантовая механика не позволяет мне это воспринимать, потому что мой мозг работает в другом феноменологическом направлении. Вместо этого я воспринимал разбитую чашу и вспомнил, как она упала. Тогда я постепенно теряю память о ее падении.

Если вы смотрели фильм "Мементо", то понимаете, о чем я говорю.

Макконе приходит к выводу, что сама Вселенная может находиться в состоянии нулевой энтропии, но мы воспринимаем ее эволюцию от низкой к высокой энтропии из-за уловки информационных систем.

На самом деле, может быть другая вселенная, перекрывающая нашу, но изолированная, развивающаяся в обратном направлении во времени, которую мы не можем воспринимать. Возможно, существуют целые инопланетные миры за пределами наблюдаемой вселенной, развивающиеся в обратном направлении.

Майкл Сигал - главный редактор журнала "Наутилус".

Метафизический багаж физики

Вопрос времени не был бы полным без разговора с Ли Смолином, бросившим школу физиком-теоретиком и основателем Института теоретической физики "Периметр" в Ватерлоо (Канада). Смолин исследует различные грани физики, он также продвинулся дальше, в экономику и философию науки, а также в популярную литературу. Его книга "Проблемы с физикой" 2008 года, не желающая уклоняться от конфронтации, была направлена на теорию струн. Смолин назвал тупиком одно из самых горячих достижений теоретической физики за последние 50 лет. В своем мышлении о времени он также взял курс, отличный от общепринятого, утверждая, что течение времени не просто реально, а более фундаментально, чем физический закон.

Он говорил со мной по телефону из своего дома в Торонто.

- Как долго вы думаете о времени?

- Вся история началась еще в 80-х, когда я ломал голову над тем, что теория струн не смогла однозначно рассказать нам принципы, определяющие законы физики. Я поставил перед собой задачу изобрести способ, которым природа могла бы выбирать, каковы законы физики. Я изобрел гипотезу под названием "Космологический естественный отбор", которую можно было проверить, и которая давала четкие предсказания. Это не была моя основная дневная работа; Моя основная дневная работа заключалась в квантовой гравитации, где предполагалось, что время нереально, что время - это иллюзия, и я работал, как и все остальные, в предположении, что время - это иллюзия на протяжении большей части моей карьеры. Мне потребовалось много лет, чтобы признаки космологического естественного отбора укоренились - примерно 20 или 25 лет.

- Ваша гипотеза космологического естественного отбора предполагает, что законы природы меняются во времени. Как такое возможно?

- Есть два типа объяснения того, почему система работает так, а не иначе. Во-первых, так должно быть, потому что есть какой-то фундаментальный принцип, который делает это так. Фактически, мое поколение выросло, чтобы найти уникальный набор законов, который удовлетворял бы принципам относительности и квантовой механики.

Мы думали, что найдем однозначный ответ. Но теперь мы знаем, что существует множество различных возможных законов, совместимых с принципами природы. Единственный другой способ объяснения в науке, ведущий к проверяемым гипотезам, - это наличие во времени некоего динамического процесса, заставляющего мир складываться таким, каким он был.

- Что это значит для нашего понимания времени?

- Стандартное представление в физике состоит в том, что время не является фундаментальным и возникает как иллюзия из-за действия законов. Но если законы будут развиваться, этого быть не может; время должно быть более фундаментальным. Если законы могут меняться во времени, я воспринимаю это почти как определение реальности времени. Аргументы, которые Эйнштейн и другие люди приводят в качестве иллюзии, предполагают, что законы природы никогда не меняются. Если они действительно изменятся, то представление о времени как об иллюзии развалится. Это означает, что время более фундаментально, чем законы природы.

- Ньютон был революционным отчасти потому, что применил вневременной свод законов ко всей Вселенной. Был ли он неправ?

- Физику изобрели люди, которые оказались очень религиозными. Ньютон - один из примеров. Для него законы природы и их математические представления были синонимами познания мыслей Бога: Пространство было сенсором Бога, а истинное время было временем, в которое Бог испытал мир и сотворил в нем вещи. А стиль физики Ньютона отлично работает, когда вы применяете его к небольшой части Вселенной, скажем, что-то происходит в лаборатории. Но когда вы берете стиль физики Ньютона и применяете его к Вселенной в целом, вы неявно предполагаете, что есть что-то вне Вселенной, заставляющее вещи происходить внутри Вселенной, точно так же, как что-то вне лабораторной системы заставляет вещи происходить в лаборатория. Я думаю, что произошло то, что даже физики, не имеющие религиозной веры или приверженности, были втянуты в форму объяснения, имеющего религиозную основу, под которой я подразумеваю, что требуется указать на что-то за пределами Вселенной, чтобы дать полное объяснение. Многие люди, считающие себя атеистами, обычно так и делают. На мой взгляд, это заставляет их думать о космологии небрежно. Когда дело доходит до распространения науки на Вселенную в целом, вы должны думать иначе, чем когда применяете науку к лабораторной системе.

- Разве на нашу Вселенную не могут влиять другие вселенные?

- Это возможно. Но вы знаете, наука - это не то, что может быть так, наука - это то, что мы можем продемонстрировать с помощью общедоступных доказательств. Таких вещей может быть бесконечное множество.

- Предлагает ли ваша теория источник стрелы времени?

- В физике мы объясняем вещи не только законами, но и начальными состояниями. Система начинается в начальном состоянии, а затем развивается во времени в соответствии с законом. Одна из величайших загадок космологии состоит в том, почему Вселенная вышла из теплового равновесия спустя столько миллиардов лет после ее возникновения. Согласно общепринятым представлениям, это объясняется тем, что Вселенная возникла из чрезвычайно невероятной начальной стадии. Второй закон термодинамики гласит, что системы эволюционируют от менее вероятного состояния к более вероятному. Стрела времени - это, по сути, процесс эволюции к более вероятным состояниям. Теперь, если время не реально, а просто появляется как приблизительное описание, вы должны объяснить, почему будущее отличается от прошлого, почему мы помним прошлое и не помним будущее, почему будущее кажется изменяемым теми процессами, которые, как правило, происходили в прошлом. Учитывая, что исходное состояние - это просто случайность, вы должны это тоже объяснить. Но если время реально, тогда все это можно просто записать в законы природы. Чтобы объяснить начальные условия, не нужно заходить так далеко. Кроме того, динамика формы и гравитация объясняют, как системы могут выйти из состояния равновесия. Это означает, что меньше нужно объяснять, почему есть стрела времени.

- Вы писали о некоторых из этих идей в своей недавней книге "Time Reborn". Какая была реакция?

- Не та, что я думал. Я думал, что физики поймут этот аргумент, потому что это аргумент, основанный на физике, а философы будут сбиты с толку. Но на самом деле произошло обратное. Философы действительно это понимают. Состоялись симпозиумы, организованные для обсуждения книги философами, понимающие проблему и понимающие аргументы, приводимые в книге. Но физики, кажется, на самом деле этого не поняли, и я плохо к этому отношусь.

- У вас также есть аргумент в пользу реальности времени, основанный на философии разума. Вы можете это описать?

Это связано с версией натурализма, где квалиа опыта занимает естественное место, как, например, аргументировали это философы Гален Стросон и Дэвид Чалмерс. Они хотят быть натуралистами, хотят верить, что существует единая физическая вселенная, но их также не убеждают аргументы таких людей, как Дэн Деннет, о том, что квалиа - это иллюзии. Они думают, что определенно есть что-то, что мы знаем, когда знаем, каково ощущение красного цвета, и они хотят, чтобы это было что-то, что верно в отношении мира природы. В статье под названием "Темпоральный натурализм" я утверждаю, что для того, чтобы квалиа было частью природного мира, должны существовать внутренние качества этого мира, не связанные между собой.

- Повлияло ли ваше видение времени на другие стороны вашей жизни?

- Это повлияло на мои представления о личной жизни. Я был новым родителем, когда писал "Time Reborn". Отцовство, безусловно, приводит к множеству размышлений о времени и жизни, о вашей собственной смертности, а также о чуде жизни. Если думать об этих вещах одновременно с размышлениями о том, является ли время реальным или иллюзией, есть ли что-то постоянное или постоянное в мире или все ли меняется, то эти вещи, естественно, влияют друг на друга.