Чому ми рухаємося з минулого в майбутнє, а не навпаки? Чи справді час тече лише в одному напрямку? І чи можливі подорожі в минуле? Британський фізик Джим Аль-Халілі вважає, що відповідь може ховатися не стільки у другому законі термодинаміки, скільки у дивному світі квантової фізики.
Про природу часу вчені й філософи сперечаються, здається, стільки, скільки людство взагалі здатне сперечатися про речі, на які немає простої відповіді.
Чи плине час безперервно і лише в одному напрямку? Чи наше відчуття плину часу — лише ілюзія? Можливо, кожна мить існує вічно, а ми просто рухаємося крізь послідовність миттєвостей, немов плівка в кінопроєкторі?
А якщо це так, то чи можна прокрутити плівку назад? І, що ще цікавіше, чи можемо ми змінити те, що вже відбулося?
Саме цим питанням присвячена нова книга британського фізика Джима Аль-Халілі «On Time: The Physics That Makes the Universe Tick», а також останній епізод подкасту Fiction Science.
Стріла часу і другий закон термодинаміки
Найпоширеніше фізичне пояснення того, чому час має певний напрямок, пов'язане з другим законом термодинаміки.
Він стверджує, що в ізольованій системі ентропія — умовно кажучи, міра невпорядкованості — не може зменшуватися. Вона має тенденцію зростати.
Саме тому розбите яйце саме по собі не збирається назад у шкаралупу, а розлита на столі кава не повертається добровільно до чашки.
Ми називаємо це «стрілою часу»: минуле відрізняється від майбутнього, а процеси мають незворотний характер.
Деякі фізики навіть припускали існування інших всесвітів, де час міг би рухатися у протилежному напрямку — від стану з високою ентропією до стану з нижчою.
Однак Аль-Халілі вважає, що це пояснення може бути не фундаментальним.
Квантовий світ задає напрямок часу
Джим Аль-Халілі — почесний професор Університету Суррея та популяризатор науки, відомий своїми програмами на BBC. Його спеціалізація — квантова фізика.
Тож не дивно, що пояснення стріли часу він шукає саме у квантовому світі.
На його думку, фундаментальнішим явищем, ніж другий закон термодинаміки, може бути квантове заплутування — явище, за якого квантові об'єкти, наприклад електрони чи фотони, набувають взаємопов'язаних властивостей.
Альберт Ейнштейн свого часу називав цей ефект «моторошною дією на відстані».
Коли квантові об'єкти взаємодіють, їхні властивості можуть виявитися настільки тісно пов'язаними, що опис одного об'єкта вже неможливий без урахування іншого.
І саме тут, вважає Аль-Халілі, може ховатися ключ до загадки часу.
«Я стверджую, що стріла часу справді реальна і закладена у структуру Всесвіту. Час реальний, і він має напрямок. Але найфундаментальнішим поясненням цього напрямку є не другий закон термодинаміки, а явище, що виникає у квантовому світі», — пояснює фізик.
Що відбувається, коли ми спостерігаємо за квантовим світом?
Тут у гру вступає ще одне поняття — квантова декогеренція.
У квантовій механіці система може перебувати у суперпозиції різних можливих станів. Найвідомішою ілюстрацією цього є знаменитий кіт Шредінґера, який у теоретичному експерименті одночасно перебуває у станах «живий» і «мертвий».
Але варто системі вступити у взаємодію з навколишнім середовищем — і ця квантова суперпозиція руйнується. Система переходить до певного класичного стану. Це і називають декогеренцією.
Саме тому, за словами Аль-Халілі, неможливо просто «скасувати» проведене спостереження.
Якщо відкрити коробку Шредінґера і подивитися, живий кіт чи мертвий, неможливо потім закрити коробку, зробити вигляд, що нічого не сталося, і повернути Всесвіт у попередній стан.
І це має принципове значення для часу.
Кожне спостереження залишає слід
Коли ми вимірюємо властивості квантової системи, ми фактично взаємодіємо з нею. Відбувається квантове заплутування між системою та її оточенням, а потім — декогеренція.
Причому для цього зовсім не потрібна людина.
Електрон не чекає, поки професор у білому халаті вирішить на нього подивитися.
Його можуть «спостерігати» молекули повітря, що взаємодіють із ним. Інформація про стан електрона таким чином залишатиметься у навколишньому середовищі, навіть якщо жодна людина ніколи не перевірить ці молекули.
Тому, на думку Аль-Халілі, саме процес спостереження і взаємодії з навколишнім світом надає часові його напрямок.
Інакше кажучи, Всесвіт постійно залишає сліди власної історії.
Чи створюємо ми власну реальність?
Тут виникає спокусливе питання.
Якщо спостереження впливає на квантову систему, то чи можемо ми, змінивши спосіб спостереження, змінити реальність?
А може, кожен із нас створює власний Всесвіт?
Для наукової фантастики це чудовий сюжетний матеріал. Подібна ідея використовується, зокрема, у серіалі Apple TV+ «Темна матерія» (Dark Matter), де фізик створює спеціальну коробку, здатну ізолювати людей від квантової взаємодії із зовнішнім світом. Завдяки цьому герої можуть переходити між різними версіями реальності.
Але Аль-Халілі застерігає: реальна квантова фізика значно менш зручна для таких сюжетів.
Для квантової механіки людина не потрібна
За словами фізика, квантове спостереження не вимагає свідомості.
«Спостереження за квантовою системою або квантовим станом не потребує людини. Воно не потребує свідомості», — наголошує Аль-Халілі.
Достатньо взаємодії із навколишнім середовищем.
Молекули повітря можуть взаємодіяти з електроном і спричиняти декогеренцію. Інформація про його стан буде записана у навколишньому середовищі, навіть якщо ніхто не дивитиметься на ці молекули.
Тож людська свідомість, схоже, не сидить десь біля пульта керування Всесвітом.
Шкода. Це значно ускладнює кар'єрні перспективи людства.
А як щодо паралельних всесвітів?
Втім, серіал «Темна матерія» торкається цілком реальної наукової ідеї — багатосвітової інтерпретації квантової механіки.
Відповідно до цієї гіпотези, різні можливі результати квантової події можуть реалізовуватися у різних, паралельних гілках реальності.
Ідея багатьох світів породила чимало сюжетів у науковій фантастиці — від «Назад у майбутнє» до «Доктора Стренджа у мультивсесвіті божевілля».
Аль-Халілі не відкидає таку інтерпретацію остаточно. Але, на його думку, ми вже настільки тісно «вплетені» у свою версію Всесвіту через квантове заплутування, що просто перескочити в іншу гілку реальності не вийде.
Водночас він допускає цікаву думку: Всесвіт загалом можна розглядати як позачасовий, але сприймати цю позачасовість можна лише з позиції «ззовні» простору-часу.
Ми ж перебуваємо всередині Всесвіту — і з нашої точки зору квантове заплутування постійно зростає.
Чи можливі подорожі в минуле?
Окремий розділ книги Аль-Халілі присвятив подорожам у часі.
Його висновок досить обережний: сучасні закони фізики не забороняють абсолютно всі математичні можливості подорожей у часі.
Загальна теорія відносності допускає існування так званих замкнених часоподібних кривих — траєкторій у просторі-часі, які теоретично могли б повернути об'єкт у минуле.
Але тут одразу виникають знамениті часові парадокси.
Що станеться, якщо людина повернеться в минуле і змінить подію, яка стала причиною її власної подорожі в часі?
Фізика поки що не має остаточної відповіді.
Для створення реальної машини часу, ймовірно, знадобилося б зрозуміти квантову гравітацію та навчитися працювати з негативною енергією. У науковій фантастиці для цього зазвичай достатньо червоточини — своєрідного тунелю, що з'єднує різні точки простору-часу.
У реальному Всесвіті все, звичайно, дещо складніше.
Аль-Халілі припускає, що ще невідомі властивості простору-часу можуть зрештою виявитися своєрідним «замком», який не дозволить подорожувати в минуле.
«Загальна теорія відносності допускає часоподібні криві, але подорож у минуле породжує величезну кількість парадоксів. Філософськи й з погляду здорового глузду ми вважаємо, що подорожі в минуле, мабуть, неможливі. Але відповідно до наших найкращих фізичних теорій двері поки що не зачинені остаточно», — говорить учений.
Що ми запитали б у фізика з майбутнього?
Якби Джим Аль-Халілі міг переміститися у майбутнє і зустріти фізика, який уже знає все про простір і час, що б він у нього запитав?
Відповідь виявилася напрочуд простою.
На першому місці у його списку бажань — отримати остаточну правильну інтерпретацію квантової механіки.
А ще Аль-Халілі хотів би дізнатися, чи мав рацію він сам, коли пов'язував стрілу часу з квантовим заплутуванням і декогеренцією.
І тут учений демонструє здоровий скептицизм.
Він упевнений у своїй концепції, але водночас визнає: цілком можливо, що майбутня фізика покаже її помилковість.
І, мабуть, саме це є однією з найсимпатичніших рис науки: навіть коли ти намагаєшся пояснити природу самого часу, завжди залишається шанс, що майбутнє вже приготувало тобі дуже переконливе «ні».
Джерело
Матеріал підготовлено на основі публікації про книгу Джима Аль-Халілі «On Time: The Physics That Makes the Universe Tick» та його розмови у подкасті Fiction Science.
