https://dzen.ru/a/Z4J0-rCeRkIjBHMC?from_site=mail
Отрицательное время. Когда часы идут назад. Метафора или реальность?
6 минут
108 прочтений
13 января
Оглавление
Квантовая механика крайне необычна с точки зрения здравого смысла. Она базируется на весьма странных для обывателя эффектах.
Это
суперпозиция, когда один и тот же объект может находиться одновременно в разных точках пространства.
Принцип дополнительности, проявляющийся в дуализме волна-частица, для полного описания явлений использует два взаимоисключающих (дополнительных) набора понятий. Один и тот же объект, в зависимости от того, с помощью какого прибора его рассматривают, может быть то частицей (она дискретна), то волной (она непрерывна). Квантовая
запутанность, реализующаяся в явлениях
нелокальности, как отмечал Эйнштейн, «сумасшедшего действия на расстоянии», необъяснимого феномена, когда объекты оказываются взаимозависимыми на любой дистанции друг от друга. Две частицы на разных краях Вселенной одномоментно меняют своё состояние, и это противоречит постулату от том, что ничего не может двигаться быстрее скорости света.
Соотношение неопределённости Гейзенберга (чем более точно измеряется одна характеристика объекта, тем менее точно можно измерить вторую его характеристику), приводящее к пространственно-временному туннелированию – мгновенному перескоку в любую точку пространства, гипотетически позволит сделать возможными телепортацию и путешествия в глубокий космос.
Но даже эти фантастические для обыденного сознания эффекты меркнут перед утверждением, что само время может быть отрицательным.
Недавно в результате экспериментов физики обнаружили, что фотоны способны покидать материал, то есть переизлучаться раньше, чем вообще в него войдут. Эти исследования были выполнены в Университете Торонто под руководством физика-экспериментатора Даниэлы Ангуло. Данный эффект получил название
отрицательного времени.
Неожиданные результаты
Ещё в 2017 году, работая в том же университете, физик Эфраим Стейнберг изучал явление, называемое атомным возбуждением. Смысл этого феномена заключается в том, что фотоны, проходя через определённую среду, взаимодействуют с электронами, переводя их в возбуждённое состояние. Это заставляет электроны перейти на более высокие орбиты. Когда же они возвращаются в исходное состояние, то переизлучают полученную энергию. И для этого требуется определённое время, называемое временем задержки.
Исследования временной задержки привели к двум неожиданным результатам. Фотоны проходили через материал среды (в данном случае это было облако атомов рубидия, охлаждённое до сверхнизких температур) без какого-либо взаимодействия, но атомы всё равно возбуждались с временной задержкой, как будто они поглощали эти фотоны. Второй результат был ещё более удивительным. Оказалось, что переизлучение происходило мгновенно, без временной задержки, ещё перед тем, как атомы рубидия возвращались в своё исходное состояние.
Для уточнения результатов экспериментов была создана объединённая группа исследователей с физиком-теоретиком Говардом Уайзманом из австралийского Университета Гриффита. Команда учёных в экспериментах получила значения, которые могут иметь разные распределения: когда временная задержка отсутствует, и когда прохождение фотона совершается раньше, до того, как атомное возбуждение завершилось. Данная ситуация приводит к отрицательному значению времени для этого возбуждения.
Стрелки идут назад
Эксперимент, проведённый Даниэлой Ангуло, показал, что в одном случае фотон полностью игнорирует атом, а в другом, взаимодействует с атомом, переводя его в возбуждённое состояние, прежде чем он произведёт излучение.
Как отмечает Стейнберг, поскольку фотоны как квантовые объекты существуют в квантовой среде, то два результата могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть оба события могут быть одновременными. Измерения, проведённые Ангуло, зафиксировали, что фотоны проходили через среду быстрее, когда они возбуждали атомы, чем когда атомы оставались в невозбуждённом состоянии.
Коллега Стейнберга, физик Джозая Синклер, поясняет, что отрицательная задержка времени может показаться парадоксальной, но если построить квантовые часы для измерения времени, в течение которого атомы будут находиться в возбуждённом состоянии, то при определённых ситуациях стрелка часов будет идти назад, а не вперед.
Иная трактовка феномена
На наш взгляд возможны различные интерпретации полученных результатов. Так, в случае быстрого прохождения фотонов через атомную среду, в отличие от классической временной задержки, этот эффект можно объяснить туннелированием. Поскольку положение фотона носит вероятностный характер, он может пройти через препятствие, также как свет проходит в световоде через тонкое зеркало и даже проносит с собой информацию. Несомненно, можно согласиться со Стейнбергом о суперпозиции состояний. Однако в настоящее время рассматривается вопрос о том, что не только квантовые объекты, но и структуры нашего макромира могут находиться в разных точках пространства одновременно, и это дополнительный аспект такого подхода. Представим, как будто один и тот же диван одновременно находится в разных комнатах. Если говорить о термине отрицательного времени, скорее это метафора. Когда фотоны вылетают из препятствия раньше, чем вошли в него, то происходит скачок в будущее, и стрелка часов прыгнет вперёд быстрее, чем при обычном течении времени.
С точки зрения квантовой механики, время квантовано. Из соотношения неопределённостей Гейзенберга между энергией и временем вытекает временной туннельный эффект, а, следовательно, возможны скачки как в будущее, так и в прошлое. В данных рассматриваемых экспериментах на лицо скачок в будущее. Между тем возможен скачок и в прошлое, и это соответствовало бы тому, когда вхождение фотонов в атомную среду замедлилось по сравнении с классическими представлениями. И вот тогда стрелка часов действительно пошла бы назад, а не вперёд.
Запутанность времени
С точки зрения статической концепции времени, это аналогично тому, как если бы киноплёнку событий отмотали назад. А в эксперименте мы бы увидели замедление движения фотона во времени. В большинстве физических теорий и экспериментальной практике пространство и время часто рассматриваются в качестве фона, своего рода интактной среды, где происходят физические события. Между тем всё больше физиков считают, что пространство и время не только не являются фундаментальной реальностью, но и имеют некую внутреннюю структуру, оказывающую влияние на физические процессы. Термин запутанность применим не только к квантовым объектам, но и к самому пространству, включая время. Именно запутанность может поддерживать и определять структуру самого пространственно-временного континуума и формирует геометрию нашего мира.
Исходя из идеи голографичности первичной реальности, где действует постулат «всё во всём», а также принципов эмерджентности и запутанности пространства и времени, возможно внедрение будущего в прошлое и в настоящее, а также наоборот. Несомненно, результаты, полученные в парадигме «отрицательного времени», открывают новую страницу в физике. Вместе с тем необходимо развитие как теоретического, так и экспериментального знания, чтобы проверить соответствующие концепции физической реальности.