Стрелка часов выглядит самым надежным элементом физической реальности. Секунды сменяют друг друга строго вперед, прошлое закрыто, будущее неизвестно. Но стоит обратиться к уравнениям микромира, как эта уверенность рассыпается.

Базовые законы Вселенной — от механики Ньютона до квантовой теории поля — обладают T-симметрией. Математически они инвариантны относительно обращения времени. Если заменить переменную t на −t, формулы продолжат работать корректно. В микромире нет разницы между прошлым и будущим. Однако наше макроскопическое восприятие фиксирует жесткий односторонний вектор. Откуда берется эта асимметрия?

За последние годы физики предложили несколько радикальных объяснений парадокса. Мы разберем четыре любопытные концепции: модель Джулиана Барбура, работы физика Рокко, специальную теорию относительности и механизм Пейджа — Вуттерса.

Забегая вперед: к консенсусу ученые все еще не пришли а некоторые теории и вовсе предлагают исключить время из списка базовых физических величин.

Гравитационная стрела времени: модель Джулиана Барбура

Больше века физики связывают направление времени с энтропией — мерой беспорядка. В замкнутой системе энтропия неизбежно растет, превращая порядок в хаос. Разбить чашку легко, а собрать осколки — невозможно. Здесь возникает парадокс Лошмидта: как из обратимых уравнений микромира рождается необратимый макромир? Если мгновенно развернуть векторы скоростей всех атомов разбитой чашки на 180 градусов, она взлетит с пола и срастется обратно. Фундаментальной физике это не противоречит, и двунаправленность мы разберем в следующем разделе.

Но откуда тогда взялся исходный порядок?

Чтобы энтропия задавала направление времени, Вселенная должна была стартовать из состояния идеального порядка. Для космологов это выглядит искусственным допущением. 

В 2014 году британский физик Джулиан Барбур с коллегами предложил альтернативу. Он переформулировал уравнения Эйнштейна на язык динамики форм (Shape Dynamics). В этой модели фокус смещается с единой ткани пространства-времени на геометрию отношений между объектами.

Если взять случайный набор частиц и позволить им взаимодействовать только через взаимную гравитацию, стрела времени возникает автоматически. Моделирование показывает, что частицы неизбежно проходят через точку максимальной плотности — аналог Большого взрыва, а затем разлетаются, формируя все более сложные структуры. Сама по себе гравитация симметрична во времени и не задает никакого направления. Однако на масштабе всей системы ее коллективная динамика порождает необратимый односторонний вектор, в модели Барбура стрела времени рождается как математическое следствие из геометрии расширения системы. 

Модель Барбура предельно упрощена. В ней учитывается только одна сила и один тип частиц. Реальная Вселенная устроена сложнее: четыре фундаментальных взаимодействия и десятки видов элементарных частиц.

Построить на основе динамики форм полноценную картину эволюции космоса, сопоставимую с общей теорией относительности, пока никому не удалось, так что она остается красивой математической гипотезой. Однако сама попытка превратить стрелу времени из базовой аксиомы в естественное следствие геометрии заслуживает внимания.

Две стрелы времени в одной квантовой системе

Уравнения классической механики инвариантны к направлению времени. Запустите видеозапись качающегося маятника в режиме реверса — и не сможете отличить оригинал от обратной перемотки. Но в мире, который нас окружает, время течет строго вперед, и эта асимметрия должна иметь математическое обоснование.

Физики из Университета Суррея (Великобритания) потратили два года на поиск этого обоснования. Они исследовали открытые квантовые системы — объекты, которые активно обмениваются энергией и информацией с окружающей средой. В статье, опубликованной в Scientific Reports, авторы представили неожиданный результат: 

Математика таких систем порождает не одну, а две противоположные стрелы времени.

Главное свойство открытых квантовых систем — рассеивание (диссипация) энергии вовне. Необратимость процессов можно представить на примере разбитой кружки: прежней ее уже не сделать. Это качество традиционно считалось главным маркером однонаправленного времени.

Руководитель исследования Андреа Рокко рассчитывал вывести стандартную одиночную стрелу времени. Однако, при анализе марковских процессов, уравнения Линдблада и Паули выдали спонтанное раздвоение вектора.

При этом второй закон термодинамики остался в силе. В обоих направлениях энтропия продолжает расти, а системы стремятся к тепловому равновесию. Вернуть разбитую кружку все еще нельзя. Но изменилась сама суть симметрии. Из одной временной точки процессы с равной вероятностью могут развиваться как в условное «будущее», так и в условное «прошлое». 

По словам Рокко, математика модели прямо указывает, что обратное направление движения математически столь же легитимно.

Выводы группы Рокко заставляют пересмотреть роль квантового рассеивания в космологии. В теоретической физике давно обсуждается гипотеза «зеркальных вселенных», разлетевшихся в разные стороны в момент Большого взрыва. Работа британских исследователей не доказывает существование мультивселенной напрямую, но переводит эту умозрительную гипотезу в плоскость расчетов квантовой микродинамики.

Вселенная с тремя измерениями времени: 1D-пространство сверхсветового наблюдателя

Специальная теория относительности (СТО) связывает реальность в единый четырехмерный континуум: три пространственных измерения и одно временное. Время изолировано: мы вольны перемещаться в любом направлении пространства, но по оси времени движемся исключительно вперед. При этом совокупная скорость движения в пространстве-времени фундаментально ограничена скоростью света.

Ускорить объект до скорости света или превысить этот барьер невозможно. Однако математический аппарат СТО не запрещает существование гипотетических частиц, которые изначально движутся в сверхсветовом режиме. При этом они принципиально неспособны замедлиться ниже светового порога.

В 2022 году физики из Варшавского и Оксфордского университетов исследовали эту гипотезу. Они математически смоделировали, как выглядит Вселенная с точки зрения сверхсветового наблюдателя. 

Для такого субъекта пространство и время меняются местами.

В сверхсветовой системе отсчета привычная система измерений (3+1: три пространственных + время) инвертируется в структуру 1+3. Наблюдатель видит всего одно пространственное измерение и целых три измерения времени.

В такой метрике концепция классической траектории теряет смысл. Сверхсветовая частица перемещается по нескольким временным осям одновременно. Для субсветового наблюдателя это выглядит как распространение квантовой волны вероятности. Обычный брошенный мяч летит по строго определенной линии. Но если бросить сверхсветовой объект, он поведет себя как камень, упавший в пруд: породит волны вероятностей, расходящиеся во всех направлениях трехмерного времени.

В рамках этой модели концепция изолированной частицы полностью теряет физический смысл. Локализованные объекты исчезают, уступая место квантовым полям — волнам, суперпозиция которых заполняет весь континуум. Физики отмечают, что многие космологические модели ранней Вселенной (например, инфляционные) уже используют поля со сверхсветовыми свойствами.

Существование таких частиц — тахионов — остается открытым вопросом. Оно пошатнуло бы привычные представления о причинности и следовании прошлого за будущим. 

Модель Анджея Драгана и Артура Экерта показывает, что законы квантовой механики становятся естественным следствием специальной теории относительности, если расширить ее уравнения на сверхсветовые системы отсчета. 

Но, возможно, квантовые парадоксы — это просто результат того, что мы пытаемся описать многомерное время через призму наших трех пространственных координат.

Время, которого нет: механизм Пейджа — Вуттерса

В физике не существует прямой процедуры измерения времени. Любые часы — это лишь контрольная физическая система, параметры которой сравнивают с процессами в других объектах. В ИТ-архитектуре тактовый генератор не измеряет время, а лишь выдает импульсы, которые синхронизируют перезапись регистров памяти. Точно так же макроскопические часы лишь фиксируют соотношение между колебаниями кварца и, например, перемещением автомобиля. Поскольку время выступает не самостоятельной сущностью, а мерой взаимного изменения систем, его можно полностью исключить из фундаментальных уравнений. Например, в уравнении Уилера — Девитта, описывающем квантовую гравитацию, нет переменной времени \(t\), Вселенная статична.

Как вернуть динамику в статичную Вселенную без привлечения внешней оси времени? В 1983 году физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс предложили математическое решение, основанное на механизме квантовой запутанности.

Идея заключается в том, чтобы разделить Вселенную на две части: условные «квантовые часы» и остальную систему. Если эти части находятся в запутанном состоянии, между ними возникает жесткая корреляция. Измерив состояние квантовых часов, мы мгновенно узнаем состояние системы.

С точки зрения внешнего гипотетического наблюдателя, общая система «часы + мир» абсолютно статична и не меняется. Внешний наблюдатель видит Вселенную как рулон кинопленки, размотанный на полу комнаты. Все кадры — от Большого взрыва до конца света — существуют здесь одновременно и неподвижно. Но если мы поместим наблюдателя внутрь самого фильма, его сознание сможет фиксировать только один кадр за раз. Проектор щелкает, кадры сменяются, и неподвижная пленка превращается для героя в непрерывный поток времени. На уровне подсистем динамика идеально описывается стандартным уравнением Шрёдингера.

Из этого механизма следует вывод, который пересекается с многомировой интерпретацией Эверетта. 

Разные моменты времени превращаются в разные вселенные.

В эксперименте с котом Шрёдингера живое и мертвое состояние животного рождается из запутанности с детектором и ядом. В концепции Пейджа — Вуттерса разные хронологические отметки — это разные квантовые миры. Прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно в рамках одного глобального статичного состояния Вселенной.

Если время — это просто накопление корреляций в нашей памяти, то мы возвращаемся к идее Августина Блаженного. В IV веке он сформулировал концепцию психологического времени:

Прошлого уже нет, будущего еще нет, а феномен времени существует исключительно внутри человеческого восприятия.

Путешествия во времени при таком устройстве Вселенной возможны, но лишены фантастического романтизма. Если условно перенести наблюдателя в «прошлое», структура его мозга мгновенно синхронизируется с квантовым состоянием той эпохи. Человек потеряет все воспоминания о будущем и физически не сможет осознать, что прибыл из другой временной точки. При прыжке в «будущее» произойдет обратное: сознание моментально запишет весь массив промежуточных данных. Вы просто продолжите жить, не заметив подвоха.

Итоги

Мы разобрали четыре взгляда на природу времени:

1. Время как продукт гравитационного расширения и усложнения геометрии.

2. Две равноправные стрелы времени, спонтанно возникающие в открытых квантовых системах.

3. Трехмерное время и одномерное пространство, открывающиеся на сверхсветовых скоростях.

4. Время как иллюзия, рожденная квантовой запутанностью внутри статичной Вселенной.

Окончательного математического консенсуса здесь все еще нет. Надо признать, что каждая из четырех гипотез работает в жестко ограниченных условиях и требует компромиссов — от радикального упрощения расчетов до введения экспериментально не подтвержденных величин. Но здесь важно другое: все четыре подхода сходятся в том, что стрела времени не является базовой константой. Однонаправленный вектор возникает как эмерджентное свойство больших систем на макроуровне.

Время — не фундаментальная координата Вселенной, а следствие масштаба нашего восприятия.

Какая из этих четырех идей кажется вам наименее безумной с точки зрения физики? Ждем ваших аргументов и логических выкладок в комментариях.