Уявленя про природу часу можуть виявитися хибними - The Economist

Вся штука так званих "уявних експериментів" в тому, що не можна напевне сказати, до яких висновків вони можуть привести. Для Альберта Ейнштейна результатом стало формулювання теорії відносності. Джеймс Кларк Максвелл вигадав уявного демона, який міг порушувати другий закон термодинаміки. А Ервін Шрьодінгер створив екзистенційно спантеличеного кота, який водночас і мертвий, і живий.

Фізики використовують "уявні експерименти", тому що так можна розмірковувати над ідеями, які не можливо перевірити, приміром, через недоступність чи й навіть неймовірність необхідних технологій. Хоч це й не те саме, що проводити справжні досліди, але "уявні експертименти" можуть привести до цілком переконливих висновків.

Хоча всі вище перелічені теоретичні випробовування теорій і досить старі, вони досі актуальні і не втратили свою амбітність. Більше того, один такий "уявний експертимент" був проведений Каславом Брукнером в Університеті Відня. Він ставить під сумнів саму природу фундаментального аспекту всесвіту, а саме час як такий.

Про це пише видання The Economist. Одна подія відбуваються за іншою, і не має жодного сумніву, яка з них відбулася першою. На цьому ґрунтується нормальне розуміння часу. Воно увійшло в основу теорії ймовіності, в "уявному експерименті" якої використовувався рух двох годинників один відносно одного. Але якщо додати квантову теорію і подумати над наслідками, з'являються сумніви, в якому ж порядку все насправді відбувається.

Перший висновок у експерименті, до якого дійшла група доктора Брукнера, був опублікований на початку цього року в Proceedings of the National Academy of Sciences. Автором виступив сам австрійський фізик і двоє його студентів, Естебан Кастро Руїз і Фламінія Гіакоміні. В експерименті мова йшла про уявний годинник надзвичайної точності. Точність такого годинника обмжена принципом невизначеності Вернера Гейзенберга. Тобто йдеться про межі точності оцінки пари властивостей будь-якої фізичної системи (приміром, координат і швидкості). Чим точніше відома одна з властивостей у парі, тим більш не точним буде значення іншої.

У випадку з уявним надзвичайно точним годинником, парою властивостей були час, який він визначає, і енергія, яка потрібна для його функціонування. За принципом Гейзенберга, чим точніше годинник вказує час, тим менш точно можна визначити кількість енергії, яку він споживає. Таким чином, енергоспоживання годинника перебуває в стані,який називається "квантовою суперпозицією". Споживання енергії водночас і високе, і мале, точно так само, як і кіт Шрьодінгера: водночас живий і мертвий.

З цієї точки зору, квантова механіка вступає в суперечку з теорією відносності. Одним з наслідків теорії Ейнштейна стало те, що енергія і маса еквівалентні. Це означає, що енергія, як і маса, має гравітаційне поле. Другий наслідок говорить, що гравітація змінює потік часу. Таке гравітаційне уповільнення часу є добре встановленим явищем. Атомні годинники на різній відстані від поверхні Землі розсинхронізовуються, тому що вони перебувають під різним впливом гравітаційних сил.

Доктор Брукнер і його колеги розглянули таку ситуацію для свого гіпотетичного годинника. Квантова суперпозиція його енергетичного стану означає, що гравітаційні ефекти від цієї енергії теж у квантовій суперпозиції. Так само, як і уповільнення часу, спричинене її гравітаційним ефектом. Більше того, другий квантовий ефект ще більше заплутує ситуацію, оскільки він говорить, що інші годинники в межах гравітаційного впливу першого, теж будуть у суперпозиції і компліментарно будуть впливати на перший годинник. І оскільки годинники не залежно від специфіки свого механізму - це єдиний спосіб виміряти час, то сама концепція часу стає дуже розмитою через квантову механіку.

Але і це ще не все. Після першого "уявного есперименту" доктор Брукнер і його колеги працюють над новим. У ньому йдеться про наслідки для ідеї причинності від суперпозиції гравітаційних полів. З позиції законів квантової механіки з'являється сумнів у тому, що одна подія дійсно спричиняє іншу.

Видання пише, що окрім еквівалентності маси і енергії і гравітаційного сповільнення часу третім концептом, який випливає з математики теорії відносності стало дещо, що відоме як "метричне поле". Так само, як загальна теорія відносності розширює гравітаційну теорію Ісаака Ньютона, так і метричне поле стало релятивістським розширенням для ньютонівської ідеї гравітаційного потенціалу, а саме що сила гравітаційної взаємодії між двома об'єктами залежить від відстані, яка їх розділяє.

Сила гравітаційної взаємодії у метричному полі схожим чином залежить від відстані між об'єктами. Але оскільки загальна теорія відносності розцінює час як четвертий вимір на рівні з трьома вимірами у просторі, чого ньютонівська гравітаційна теорія не робить, відстань між об'єктами у метричному полі вимірюється одночасно в часі і просторі.

На думку доктора Брукнера, годинник в уявному експерименті показує, що метричне поле теж суб'єкт для принципу Гейзенберга, а тому і для ефекту суперпозиції. В результаті, невизначеними стають не лише координати у просторі, а й часові координати. А тому не можна буде сказати точно, яка з подій відбулася першою.

Тож в новому "уявному експерименті" команда збирається перевірити цей ефект на гігантському атомі в суперпозиції до двох різних енергетичних станів. Вчені спробують обчислити наслідки для такого об'єкта на предмет причинності, а саме що подія "А" спричиняє подію "Б". Австрійські вчені переконані, що за умови, що енергетичні стани атома суттєво відрізняються, стане неможливо сказати, що сталося першим, подія "А" чи "Б". А отже причинніть в такому випадку зникне.

Як і всі попередні "уявні експерименти", цей останній не можна перевірити лабораторно на даному рівні розвитку технологій. Втім, теоретично його висновки відповідають законам як квантової механіки, так і загальній теорії відносності. Однак, в такому разі виникає питання. Якщо "уявний експертимент", який привів вчених до теорії відносності, заснованій на ідеї лінійності часу, тепер допомагає сучасним вченим спростувати цю теорію, то чи можуть ті перші умовиводи вважатися надійними?

Раніше видання The Economist писало про "квантовий стрибок" і дивні дослідження, які відкривають неймовірні технічні можливості. Квантова теорія наблизилася до точки, в якій її дослідження отримають практичне застосування. Нинішня ситуація нагадує початок 90-х років, коли зароджувався Інтернет. Тоді корпорації виявили комерційний потенціал у великих лабораторних дослідженях, якими вчені займалися десятиліттями. Підприємливі компанії купують собі доступ до розробок або ж організовують власні дослідження. А "стартапи" множаться, пропонуючи нові рішення і способи застосування.

Раніше повідомлялося про те, що створення квантового комп'ютера інвестує компанія Intel. Розмір грошових вкладень складе 50 мільйонів доларів. За розробку комп'ютера візьмуться фахівці Організації прикладних досліджень і Делфтського технологічного університету в Нідерландах.