Существует ли время на самом деле? Почему физики считают время квантовой иллюзией (и как собираются это доказать)

«Кризис времени» — общая проблема всех современных людей. Такая же проблема существует и в физике. Только подразумевается, конечно, совершенно другое. В то время как для человека течение времени является неоспоримым фактом, фундаментальные уравнения, описывающие Вселенную, не требуют его наличия. Новая серия экспериментов с использованием квантовых систем и термодинамических моделей черных дыр возвращает научное сообщество к радикальной гипотезе 1980-х годов: Вселенная статична, а время — это эмерджентное явление, возникающее исключительно благодаря квантовой запутанности.

Попытка объединить две главные теории современной физики — Общую теорию относительности (ОТО) и квантовую механику — неизбежно приводит к концептуальному тупику, в центре которого находится понятие времени. Для теории Эйнштейна время является четвертым измерением, неотделимым от пространства; оно динамично, деформируется гравитацией и зависит от скорости наблюдателя. Однако в квантовой механике время играет роль внешнего, абсолютного параметра, который не является частью системы, а лишь отмеряет ход процессов «извне».

Это противоречие указывает на то, что наше понимание времени неполно. Более того, большинство фундаментальных физических законов симметричны во времени: они работают одинаково, прокручиваем ли мы события вперед или назад. Единственным указанием на направленность времени (стрелу времени) служит Второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия замкнутой системы стремится к максимуму. Однако термодинамика объясняет направление изменений, но не саму природу возникновения временного потока в квантовой Вселенной.

На этом фоне физики вновь обращаются к механизму Пейджа-Вуттерса — теоретической модели, предложенной в 1983 году, которая математически описывает Вселенную как полностью статичную систему, лишенную времени на фундаментальном уровне.

Стационарная Вселенная и механизм Пейджа-Вуттерса

Дон Пейдж и Уильям Вуттерс выдвинули гипотезу, основанную на уравнении Уиллера — ДеВитта, которое описывает квантовое состояние всей Вселенной. Согласно этому уравнению, полная энергия Вселенной равна нулю, и, следовательно, ее квантовое состояние не эволюционирует. Глобальная волновая функция Вселенной стационарна. Это означает, что на самом фундаментальном уровне во Вселенной ничего не происходит — она заморожена в едином вечном состоянии.

Чтобы объяснить, откуда в стационарной системе возникает наблюдаемая динамика, Пейдж и Вуттерс предложили разделить систему на две компоненты:

1. Квантовые часы — подсистема, служащая эталоном измерения.
2. Остальная Вселенная — подсистема, описывающая всю наблюдаемую материю и поля.

Ключевым фактором здесь является квантовая запутанность — явление, при котором квантовые состояния двух и более объектов оказываются взаимозависимыми. Согласно гипотезе, хотя глобальное состояние системы остается неизменным, между «часами» и «остальной Вселенной» существует сильная квантовая корреляция.

Суть механизма заключается в условной вероятности. Если наблюдатель измеряет состояние «часов», он с неизбежностью обнаруживает «остальную Вселенную» в конкретном, соответствующем этому моменту состоянии. Последовательное изменение показаний «часов» (которое само по себе является лишь последовательностью корреляций) воспринимается внутренним наблюдателем как временная эволюция. Таким образом, время не существует как внешняя сущность; оно является внутренним эффектом, возникающим из отношений между частями системы.

От теории к экспериментальному подтверждению

В течение сорока лет механизм Пейджа-Вуттерса оставался в категории математических абстракций, недоступных для прямой проверки. Однако развитие квантовых технологий в 2020-х годах всё же позволило перенести эту дискуссию в плоскость экспериментальной физики.

В 2024 году Паола Веррукки из Национального исследовательского совета Италии (CNR) представила результаты моделирования, подтверждающие работоспособность этой гипотезы. Исследователи создали систему, состоящую из двух запутанных квантовых подсистем: одна выполняла роль часов (магнитные моменты), другая — роль эволюционирующего объекта (гармонический осциллятор).

Эксперимент показал следующее: для внешнего наблюдателя, который рассматривает систему целиком, ее энергия оставалась постоянной, а состояние — стационарным. Времени для такой системы не существовало. Однако, когда исследователи анализировали состояние осциллятора относительно состояния часов, они фиксировали четкую временную эволюцию, описываемую уравнением Шредингера. Это стало первым наглядным доказательством того, что динамика может возникать внутри статической системы исключительно за счет квантовых корреляций.

Термодинамическая стоимость времени

Следующий шаг в исследовании природы времени связан с работами группы Маркуса Хубера из Венского технического университета. Ученые поставили вопрос: если время измеряется физической системой (часами), какие термодинамические ресурсы для этого требуются?

Исследования показали, что измерение времени неразрывно связано с производством энтропии (рассеиванием энергии). Согласно законам термодинамики, любой процесс, фиксирующий необратимые изменения, требует затрат энергии. Хубер и его коллеги вывели фундаментальное соотношение: точность измерения времени прямо пропорциональна количеству выделяемого тепла и произведенной энтропии.

• Идеальные часы невозможны: абсолютно точное измерение времени потребовало бы бесконечной энергии и привело бы к бесконечному росту энтропии.
• Диссипация как основа: чем выше разрешение часов (чем более мелкие промежутки времени они отмеряют), тем сильнее они воздействуют на окружающую среду.

Это открытие особенно важно для проверки теории Пейджа-Вуттерса. Если «глобальные часы» Вселенной являются реальным физическим объектом, а не математической абстракцией, они должны подчиняться этим термодинамическим ограничениям. Это открывает путь к проверке гипотезы: если удастся обнаружить специфические термодинамические следы работы таких «часов» в квантовых системах, теория стационарной Вселенной получит веское подтверждение.

Черные дыры как глобальный хронометр

Вопрос о том, что именно выполняет роль «часов» в масштабах космоса, привел исследователей к неожиданному кандидату — черным дырам. В новой работе Паолы Веррукки и Алессандро Коппо выдвигается предположение, что именно черные дыры могут служить той самой подсистемой, с которой запутана остальная материя.

Для реализации механизма Пейджа-Вуттерса «часы» должны обладать специфическими характеристиками:

1. Высокая плотность энергии — для обеспечения точности на длительных промежутках эволюции.
2. Слабое взаимодействие — часы не должны обмениваться энергией с измеряемой системой, чтобы не нарушать ход процессов (в идеале взаимодействие должно сводиться только к запутанности).

Черные дыры идеально соответствуют этим требованиям. Гравитационное поле черной дыры удерживает колоссальную энергию. Горизонт событий служит идеальным изолятором, предотвращающим прямой обмен информацией с внешним миром. Однако, согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры излучают квантовую радиацию. Этот процесс подразумевает рождение пар частиц: одна падает за горизонт, другая уходит вовне. Это создает квантовую запутанность между внутренней областью черной дыры и внешней Вселенной.

Авторы гипотезы предполагают, что излучение Хокинга и энтропия черных дыр (энтропия Бекенштейна-Хокинга) — это и есть проявление работы «глобальных часов». Изменение состояния черной дыры коррелирует с изменениями во внешней Вселенной, создавая для наблюдателей иллюзию текущего времени.

Наблюдатель и коллапс волновой функции

Эти исследования подводят физику к пересмотру роли наблюдателя и процесса измерения. Если время — это следствие квантовой запутанности, то «течение» времени может быть непосредственно связано с процессом коллапса волновой функции.

В квантовой механике измерение переводит систему из состояния суперпозиции (набора вероятностей) в одно конкретное состояние. Этот процесс необратим. Веррукки предполагает, что именно последовательность таких измерений (взаимодействий материи) и формирует стрелу времени.

• До измерения система находится в неопределенном, «безвременном» состоянии.
• Акт взаимодействия фиксирует конкретный результат, создавая «прошлое».

Таким образом, время не является фундаментальным полотном реальности, на котором разворачиваются события. Оно является производным параметром, возникающим в момент, когда одна часть квантовой системы получает информацию о другой части. Мы не движемся сквозь время; мы генерируем его посредством физических взаимодействий.

Текущие эксперименты с атомными часами и анализ термодинамики квантовых систем в ближайшие годы должны подтвердить или опровергнуть эту модель. Если гипотеза подтвердится, это станет самым значительным пересмотром представлений о реальности со времен создания Специальной теории относительности, доказав, что на фундаментальном уровне Вселенная неизменна, а вся наблюдаемая динамика — лишь сложный эффект квантовых корреляций.