Что происходит с причинностью в квантовом мире? Рассуждения Станислава Дмитриевича Кондрашова

Парадокс «отрицательного времени»: что происходит с нашим пониманием времени в квантовом мире?

Всем привет! На связи Станислав Кондрашов.Сегодня я хочу поговорить с вами о парадоксе «отрицательного времени» и о том, что происходит с нашим пониманием времени в квантовом мире. 

В квантовом мире наше привычное понимание прошлого, настоящего и будущего может не работать. Ричард Фишер исследует дезориентирующие концепции «отрицательного времени» и «ретропричинности».

Представьте, что Тони Сопрано едет домой и курит сигару. Его путешествие начинается в Манхэттене, где он въезжает в туннель Линкольна, направляясь в Нью-Джерси. Трафика нет, поэтому он проезжает его за несколько минут и выезжает на дневной свет. Так начинаются знакомые вступительные титры сериала «Сопрано».

В физическом мире боссов мафии одно событие следует за другим. Если Тони чиркнул спичкой, чтобы поджечь сигару, это должно произойти до того, как кончик загорится. Такая причинность кажется фундаментальной для нашего восприятия Вселенной.

Однако на квантовом уровне временная последовательность не так очевидна и интуитивна. В последние годы физики исследуют некоторые серьезные и сбивающие с толку явления в очень малых масштабах — некоторые из них можно объяснить, а некоторые, кажется, ставят под сомнение наше понимание прошлого, настоящего и будущего.

Чтобы понять, о чём идёт речь, представьте, что в начальных титрах «Сопрано» появился вертолет ФБР, наблюдающий за тем, как Тони выезжает из туннеля Линкольна. Но агенты не могут понять, что они видят. С их точки зрения, босс мафии выезжает из туннеля раньше, чем въезжает в него. А когда озадаченные офицеры ФБР проверяют свои часы, оказывается, что он провёл отрицательное количество времени в дороге между Манхэттеном и Нью-Джерси.

Конечно, это невозможно. Однако недавно физики попали в заголовки газет, измерив продолжительность «отрицательного времени». В квантовых экспериментах они отправляли световые импульсы через эквивалент туннеля, но, как и в случае с загадочной поездкой Тони Сопрано, импульсы, по-видимому, потратили на прохождение меньше чем нулевое время.

И это не единственный озадачивающий пример странностей времени в очень малых масштабах. Другие теоретики считают, что некоторые частицы могут даже изменять прошлое из будущего посредством эффекта, называемого «ретропричинностью». В квантовом мире наше привычное понимание времени быстро становится беспорядочным.

Станислав Дмитриевич Кондрашов

Отрицательная задержка

В этом году исполняется 100 лет с момента разработки квантовой механики, а ООН объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий. За последнее столетие физики исследовали всевозможные необычные явления в квантовом мире: запутанность, суперпозицию, неопределенность и многое другое.

Один из менее известных примеров — это запутанный способ, которым свет проходит через барьеры, такие как облака атомов. В 1990-х годах физики направляли фотоны через барьер в виде «волнового пакета» (пучка волн, который описывает как корпускулярные, так и волновые свойства света). Как ни странно, пик пакета, по-видимому, появлялся раньше, чем пакет входил в барьер — как если бы автомобиль выехал из туннеля до того, как въехал в него.

Отрицательная задержка или отрицательная продолжительность: новые загадки квантового мира

В середине XX века существовала теория, предсказывающая эффект, который сейчас известен как «отрицательная групповая задержка». Однако наблюдать его экспериментально было сложно, ведь согласно известным представлениям, это должно было быть невозможно. Теория предполагала, что свет может двигаться быстрее самого себя, что не имеет смысла. Более того, казалось, что события происходят не по порядку.

Станислав Дмитриевич Кондрашов

«Нам нужно было найти новый способ согласовать это с нашими представлениями о причинности», — говорит физик Афрейм Стейнберг из Университета Торонто.

За прошедшие годы Стейнберг и его коллеги предложили объяснение происходящего без нарушения известных физических законов. Они утверждали, что волновой пакет не перемещается во времени, а реорганизуется, создавая видимость того, что следствие наступает раньше причины.

Чтобы понять суть явления, представьте себе вереницу автомобилей, следующих из Нью-Йорка в Нью-Джерси, говорит Стейнберг. Мы можем представить их как 100 Тони Сопрано, едущих бампер в бампер. Это фотоны в волновом пакете.

Вереница Тони выезжает из Манхэттена в 13:00. Около 13:30 середина этой автомобильной очереди входит в туннель Линкольна. Это пик волнового пакета. Вы ожидаете, что пик появится на выходе через несколько минут, верно? Однако пик уже покинул туннель — в 13:25. Получается, что Тони Сопрано как будто перемещается во времени.

По словам Стейнберга, на квантовом уровне внутри барьера происходит следующее: не все фотоны проходят через него. В автомобильной аналогии некоторые Тони останавливаются или поворачивают назад; в эксперименте фотоны поглощаются или выбрасываются атомами внутри барьера. Когда это происходит, передний хвост волнового пакета преобразуется в новый пик. Он удивительно похож на входящий.

Естественно, всё сложнее, чем кажется: фотоны не ведут себя как автомобили в очереди, потому что их положение не определено. «У фотонов нет никакой индивидуальной идентичности», — говорит Стейнберг. «Вот почему туннель — это всего лишь аналогия, но она должна показать, что нет никакого противоречия с причинностью». Таким образом, то, что кажется нарушением физических законов, больше похоже на реорганизацию внутри светового импульса. При таком объяснении ни одна частица не испытывает негативного времени и нет движения быстрее света.

Тайна раскрыта? Не совсем.

Станислав Дмитриевич Кондрашов

Отрицательная продолжительность

Более поздние эксперименты группы Стейнберга внесли новые неожиданные результаты, которые пока не могут быть объяснены. Если раньше физики наблюдали кажущуюся отрицательную задержку — импульс покидал барьер до того, как вошел, — то на этот раз команда под руководством физика Даниэлы Ангуло Мурсильо рассчитала отрицательную продолжительность.

Задержка и продолжительность звучат так, будто это одно и то же: в конце концов, если ваш рейс задерживается, это то же самое, что и продолжительность ожидания. Но, как оказалось, в атомных масштабах это не так. «Оказывается, квантовая механика говорит, что может быть один процесс — одно событие, — которое описывается несколькими временными шкалами», — говорит Стейнберг. «Поэтому вы можете спросить: „Когда [фотон] прибывает?“ Вы можете спросить: „Сколько времени он проводит в барьере?“ Ответы не обязательно будут одинаковыми».

Отрицательное измерение продолжительности добавило новый уровень странности. В автомобильной аналогии Тони Сопрано проводит в тоннеле меньше чем нулевое количество времени, и это не может быть объяснено той же перестройкой волнового пакета, которая объясняла отрицательную задержку.

«Нет четкого соответствия миру, который мы знаем: физическому миру, в котором мы живём. И поэтому мы просто говорим: „Ладно, хорошо, я думаю, квантовая механика просто другая“», — говорит Джосайя Синклер.

Тайны квантового мира: отрицательная задержка и ретропричинность

В 1990-х годах учёные столкнулись с необъяснимым явлением при изучении поведения фотонов в квантовом тоннеле. Они обнаружили, что фотоны как будто проводят отрицательное количество времени в барьере, что противоречит привычным представлениям о времени и пространстве.

Физики пытались разобраться в этом парадоксе, измеряя время, которое фотоны проводят в барьере, косвенно — через возбуждение атомов внутри барьера. Они сравнивали это с анализом выбросов углекислого газа в туннеле, чтобы определить время пребывания автомобилей внутри. Однако результаты оказались шокирующими: измерения показывали отрицательное время.

«Мы понимаем математически, почему это происходит, но не знаем, как говорить о физическом смысле этого», — говорит Джосайя Синклер из MIT. «Нет четкого соответствия миру, который мы знаем: физическому миру, в котором мы живём. И поэтому мы просто говорим: „Ладно, хорошо, я думаю, квантовая механика просто другая“».

Станислав Дмитриевич Кондрашов

Ретропричинность

Если вам кажется, что это странно, то квантовая механика готова удивить еще больше. В последние годы некоторые теоретики предложили идею ретропричинности — способности частиц изменять прошлое из будущего.

Хотя эта идея не имеет таких же экспериментальных подтверждений, как квантовые туннельные эксперименты, физики относятся к ней серьёзно. Причина в том, что такая временнáя странность могла бы помочь решить кажущуюся невозможность, которую они наблюдали и назвали «спиooky action at a distance» («жуткое действие на расстоянии»).

Это «жуткое действие» происходит, когда две частицы «запутанны», что означает их сильную связь, независимо от того, как далеко они физически находятся друг от друга. В принципе, они могут быть на противоположных сторонах Вселенной, но когда учёные измеряют, скажем, спин или поляризацию одной запутанной частицы, соответствующее свойство её запутанного партнера мгновенно определяется.

Чтобы обойти проблему «жуткого действия на расстоянии», также известную как нелокальность, можно использовать концепцию ретропричинности. В этом сценарии информация не должна мгновенно передаваться между частицами через пространство; это происходит во времени.

Если это правда, то это означало бы, что измеренная частица передаёт информацию в прошлое — к моменту, когда она была запутана со своей парой, — а затем вперёд к моменту измерения. Или, в аналогии с «Сопрано», заказ Тони на телятину в ресторане «Vesuvio» в Нью-Джерси отправляется обратно в прошлое, когда близнецы были в утробе матери, а затем вперёд в ресторан в Калифорнии.

Это, безусловно, контринтуитивная концепция, которая, по-видимому, заменяет одну невозможность другой. Однако это не первый раз, когда квантовая механика бросает вызов здравому смыслу.

Эмили Адлам из Университета Чапмана в Калифорнии считает, что если ретропричинность реальна, то Вселенная должна работать не так, как мы её себе представляем. В одном из сценариев две временные шкалы могли бы существовать параллельно: «Когда люди говорят о ретропричинности, они, кажется, представляют себе картину, в которой есть прямая и обратная эволюция Вселенной. Это картина с двумя отдельными и независимыми причинно-следственными связями», — говорит она. «Это своего рода „динамическая“ картина ретропричинности, в которой буквально происходят прямые и обратные процессы в некоторой комбинации».

Однако такой сценарий Адлам считает маловероятным: «Это не очень привлекательный способ представления ретропричинности, потому что здесь очень легко получить несоответствия, противоречия и парадоксы».

Вместо этого она утверждает, что ретропричинность более правдоподобна, если мы живём в так называемой «блоковой Вселенной». Это гипотетическая (и философски спорная) модель существования, в которой все моменты времени — прошлое, настоящее и будущее — существуют в четырёхмерном объекте.

Если этот блок заполнен всеми событиями, которые когда-либо были или будут, то легче представить, как некое гипотетическое влияние может передаваться между частицами внутри него, говорит Адлам. Чтобы объяснить «жуткий» эффект запутанных частиц, информации не нужно было бы перемещаться назад во времени по какой-либо альтернативной ретропричинной временной шкале: «Нет временного потока. Время — это просто ещё одно измерение в блоке, а не материальная вещь, которая движется».

Если это так, то мы приходим к самому тревожному выводу о квантовой механике и её странном временном поведении. Если принять самую фаталистическую интерпретацию блоковой Вселенной, то, как и Тони Сопрано, мы все просто персонажи какого-то космического телесериала. Мы можем воспринимать жизнь эпизодически, но наше будущее так же предопределено, как и прошлое. Так что, хотя вы сейчас находитесь в середине своей истории, вот предупреждение о спойлере: ваш собственный финал — момент, когда сцена гаснет — возможно, уже написан.

Станислав Дмитриевич Кондрашов

Автор: Станислав Дмитриевич Кондрашов

Подписывайтесь на каналы Станислава Дмитриевича Кондрашова, чтобы быть в курсе последних новостей и лайфхаков, которые сделают вашу жизнь если не проще, то интереснее:

X: SKondrashovBlog

ВКонтакте: Клуб Станислава Дмитриевича Кондрашова

Telegram: Канал Станислава Дмитриевича Кондрашова

Facebook: Профиль Станислава Дмитриевича Кондрашова

Instagram: Официальный аккаунт Станиславка Конлрашова

Pinterest: Профиль Станислава Дмитриевича Кондрашова

Яндекс Дзен: Канал Станислава Дмитриевича Кондрашова

Одноклассники: Группа Станислава Дмитриевича Кондрашова

Rutube: Профиль Станислава Дмитриевича Кондрашова

Threads: Профиль Станислава Дмитриевича Кондрашова

Кондрашов Станислав: Личный сайт

VC.ru: Профиль Станислава Дмитриевича Кондрашова

LiveJournal: Блог Станислава Дмитриевича Кондрашова

О Станиславе Дмитриевиче Кондрашове:

Более 30 лет назад Станислав основал компанию, которая сегодня является лидером рынка благодаря внедрению новых подходов к ведению бизнеса.

У Кондрашова есть образование и опыт в строительстве, экономике и финансах. Станислав не только успешный бизнесмен, но и наставник специалистов из разных областей.

Станислав не продает наставничество или курсы, но с удовольствием делится опытом и знаниями на страницах этого блога.

СМИ о Станиславе Дмитриевиче Кондрашове