Время как побочный эффект квантового мира: как физики «вырастили» стрелу времени в лаборатории

Международный эксперимент с ультрахолодными атомами рубидия вновь поднимает один из самых фундаментальных вопросов физики: существует ли время само по себе — или оно лишь удобная иллюзия, возникающая из квантовых процессов?

Группа физиков из Великобритании и ряда международных научных центров провела эксперимент, который в научном сообществе уже называют одной из самых необычных лабораторных моделей последних лет.

Исследователи создали упрощённую модель Вселенной — так называемый «игрушечный космос» из примерно 20 тысяч атомов рубидия, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю. В этих условиях квантовые эффекты становятся доминирующими, а поведение вещества максимально приближается к идеализированным теоретическим моделям.

Система была разделена на два слабосвязанных сектора. На начальном этапе она находилась в особом состоянии, которое физики описывают как «вневременное»: в нём не происходило наблюдаемой динамики, и понятие времени внутри системы фактически теряло смысл.

Запуск «стрелы времени» через квантовое взаимодействие

Переломный момент наступил, когда учёные начали воздействовать на систему лазерами, заставляя два сектора обмениваться атомами.

Это привело к развитию квантовых взаимодействий между частями системы и, что особенно важно, к изменению энтропии — меры беспорядка и неопределённости в системе (энтропия).

Именно рост энтропии в физике традиционно связывается с направлением времени: так называемой «стрелой времени». В ходе эксперимента именно этот процесс позволил физикам определить, что внутри системы начинает формироваться собственное, «внутреннее время».

Иначе говоря, время в модели не задавалось извне, а возникало как результат динамики квантового взаимодействия.

Уравнение Шрёдингера в новом режиме

Следующим шагом стало применение этого «внутреннего времени» в одном из центральных уравнений квантовой теории — уравнение Шрёдингера.

До этого момента оно всегда использовало внешне заданный параметр времени — как данность. Однако в новой постановке задачи время стало не входным параметром, а результатом внутренней динамики системы.

Результаты оказались поразительно согласованными: расчёты, выполненные с использованием «внутреннего времени», полностью совпали с экспериментальными данными. По сути, модель начала «самостоятельно» описывать собственную эволюцию без внешнего времени.

Квантовые корреляции как источник времени

Идея о том, что время может быть не фундаментальным, а возникающим явлением, обсуждается в теоретической физике уже почти столетие.

Современная формулировка этой гипотезы опирается на понятие квантовых корреляций.

Согласно этим представлениям, именно взаимосвязи между частями квантовой системы могут порождать ощущение последовательности событий — то есть времени.

Исторически подобные идеи восходят ещё к работам Невилла Мотта и других физиков первой половины XX века, однако тогда они оставались преимущественно философскими гипотезами без экспериментального подтверждения.

Связь с одной из главных проблем современной физики

Сегодня эта работа рассматривается в контексте одной из самых сложных задач теоретической науки — объединения квантовой механики и гравитации.

В рамках ряда моделей квантовая гравитация время на фундаментальном уровне может отсутствовать вовсе, а привычное нам его течение возникает лишь на макроскопическом уровне.

Эксперимент с холодными атомами в этом смысле выступает как лабораторная «симуляция» таких условий: система, в которой время не задано заранее, а появляется из внутренней структуры взаимодействий.

Осторожный оптимизм и научный скепсис

Несмотря на эффектность результатов, сами авторы работы подчёркивают: речь не идёт о доказательстве того, что время — иллюзия в буквальном смысле.

Эксперимент основан на уже известных законах физики и не отменяет существующие теории. Скорее, он показывает, что при определённых условиях можно сконструировать систему, где временная эволюция действительно возникает изнутри самой модели.

Часть физиков также отмечает, что перенос этих результатов на реальную Вселенную требует осторожности: лабораторная система крайне упрощена и далека от космологических масштабов.

Что дальше: от «игрушечной Вселенной» к чёрным дырам

Следующий шаг исследователей — усложнение модели. В частности, обсуждается возможность создания аналогов гравитационных эффектов, включая условия, схожие с физикой чёрных дыр.

Если такие эксперименты окажутся успешными, это позволит проверять идеи квантовой гравитации не только теоретически, но и в контролируемых лабораторных условиях.

Работа с «игрушечной Вселенной» не переворачивает физику, но делает важное: она показывает, что даже такие фундаментальные понятия, как время, могут быть воспроизведены как эффект коллективного поведения квантовой системы.

И если эти подходы получат развитие, вопрос «что такое время?» может постепенно перейти из области философии в область экспериментальной физики — с лазерами, атомами и измеримыми результатами.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что человечество обогнало эволюцию на 88 миллионов лет — и одновременно потеряло иллюзию контроля над ИИ