Время кажется самой базовой характеристикой реальности. Секунды тикают, дни проходят, и всё, от движения планет до человеческой памяти, кажется, развивается в одном необратимом направлении. Мы рождаемся и умираем именно в таком порядке. Мы планируем свою жизнь с учётом времени, одержимо измеряем его и воспринимаем как непрерывный поток из прошлого в будущее. Кажется настолько очевидным, что время движется вперёд, что задавать об этом вопросы почти бессмысленно.
И всё же на протяжении более чем ста лет физика пыталась понять, что такое время на самом деле. Эта борьба — не философские придирки. Она лежит в основе некоторых из самых глубоких проблем науки.
Современная физика опирается на разные, но одинаково важные концепции. Одна из них — общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию и движение крупных объектов, таких как планеты. Другая — квантовая механика, которая описывает микромир атомов и частиц. А в еще более масштабном масштабе стандартная модель космологии описывает зарождение и эволюцию Вселенной в целом. Все эти концепции опираются на время, но рассматривают его по-разному.
Когда физики пытаются объединить эти теории в единую систему, время часто ведёт себя неожиданным и тревожным образом. Иногда оно растягивается. Иногда замедляется. Иногда полностью исчезает.
Раздел Insights специализируется на высококачественной развернутой журналистике. Наши редакторы сотрудничают с учеными из самых разных областей, которые занимаются решением широкого спектра социальных и научных проблем.
Теория относительности Эйнштейна, по сути, стала первым серьёзным ударом по нашей повседневной интуиции в отношении времени. Эйнштейн показал, что время не универсально. Оно течёт с разной скоростью в зависимости от гравитации и движения. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, будут по-разному оценивать, какие события произошли одновременно. Время стало чем-то эластичным, переплетённым с пространством в четырёхмерную ткань под названием «пространственно-временной континуум».
Квантовая механика сделала всё ещё более странным. В квантовой теории время не объясняется. Оно просто предполагается. Уравнения квантовой механики описывают, как системы развиваются во времени, но само время остаётся внешним параметром, фоновыми часами, которые находятся за пределами теории.
Это несоответствие становится очевидным, когда физики пытаются описать гравитацию на квантовом уровне, что крайне важно для разработки столь желанной теории всего, которая объединит основные фундаментальные теории. Но во многих попытках создать такую теорию время полностью исчезает как параметр из фундаментальных уравнений. Вселенная кажется застывшей, описываемой уравнениями, в которых нет упоминания об изменениях.
Эта загадка известна как проблема времени, и она остаётся одним из самых серьёзных препятствий на пути к созданию единой теории физики. Несмотря на огромный прогресс в космологии и физике элементарных частиц, у нас до сих пор нет чёткого объяснения того, почему время вообще течёт.
Относительно новый подход к физике, основанный на математической структуре под названием «теория информации», разработанной Клодом Шенноном в 1940-х годах, начал давать неожиданные результаты.
Энтропия и стрела времени
Когда физики пытаются объяснить направление времени, они часто обращаются к понятию, которое называется энтропией. Второй закон термодинамики гласит, что беспорядок имеет тенденцию к увеличению. Стакан может упасть и разбиться, но осколки никогда не соберутся сами собой. Эту асимметрию между прошлым и будущим часто называют стрелой времени.
Эта идея оказала огромное влияние. Она объясняет, почему многие процессы необратимы, в том числе почему мы помним прошлое, но не помним будущее. Если Вселенная возникла в состоянии низкой энтропии и по мере развития становится всё более хаотичной, это, по-видимому, объясняет, почему время движется вперёд. Но энтропия не решает проблему времени полностью.
Во-первых, фундаментальные квантово-механические уравнения физики не делают различий между прошлым и будущим. Стрела времени появляется только тогда, когда мы рассматриваем большое количество частиц и статистическое поведение. В связи с этим возникает более глубокий вопрос: почему Вселенная изначально возникла в состоянии с низкой энтропией? С точки зрения статистики, существует больше вариантов, при которых Вселенная будет иметь высокую энтропию, чем низкую, — точно так же, как в комнате может быть больше беспорядка, чем порядка. Так почему же она возникла в таком маловероятном состоянии?
Информационная революция
За последние несколько десятилетий в физике произошла тихая, но масштабная революция. Информация, которая когда-то считалась абстрактным инструментом бухгалтерского учёта, используемым для отслеживания состояний или вероятностей, всё чаще рассматривается как самостоятельная физическая величина, такая же, как материя или излучение. В то время как энтропия показывает, сколько микроскопических состояний возможно, информация показывает, как физические взаимодействия ограничивают и фиксируют эти возможности.
Этот сдвиг не произошёл в одночасье. Он накапливался постепенно, под влиянием загадок на стыке термодинамики, квантовой механики и гравитации, где рассмотрение информации исключительно с математической точки зрения начало приводить к противоречиям.
Одна из первых нестыковок возникла в физике черных дыр. Когда Стивен Хокинг доказал, что черные дыры испускают тепловое излучение, возникла тревожная гипотеза: информация о том, что попадает в черную дыру, может быть безвозвратно утеряна в виде тепла. Этот вывод противоречил квантовой механике, которая требует сохранения всей информации.
Чтобы разрешить это противоречие, физики были вынуждены признать более глубокую истину. Информация не является чем-то необязательным. Если мы хотим получить полное описание Вселенной, включающее квантовую механику, информация не может просто исчезнуть, не подорвав основы физики. Это осознание имело серьёзные последствия. Стало ясно, что информация имеет термодинамическую стоимость, что её удаление приводит к рассеиванию энергии, а для её хранения требуются физические ресурсы.
Параллельно с этим обнаружились удивительные связи между гравитацией и термодинамикой. Было показано, что уравнения Эйнштейна можно вывести из термодинамических принципов, которые напрямую связывают геометрию пространства-времени с энтропией и информацией. С этой точки зрения гравитация ведёт себя не совсем как фундаментальная сила.
Вместо этого гравитация, по-видимому, является тем, что физики называют «эмерджентным» — феноменом, описывающим нечто большее, чем сумма его частей, возникающее из более фундаментальных составляющих. Возьмём, к примеру, температуру. Мы все её ощущаем, но на фундаментальном уровне у отдельной частицы не может быть температуры. Это не фундаментальная характеристика. Вместо этого она возникает только в результате коллективного движения множества молекул.
Точно так же гравитацию можно описать как эмерджентное явление, возникающее в результате статистических процессов. Некоторые физики даже предположили, что сама гравитация может возникать из-за информации, отражая то, как информация распределяется, кодируется и обрабатывается.
Эти идеи предполагают радикальный сдвиг в восприятии. Вместо того чтобы считать пространство-время первичным, а информацию — чем-то, что существует внутри него, мы можем предположить, что информация является более фундаментальным компонентом, из которого возникает само пространство-время. Опираясь на это исследование, мы с коллегами разработали концепцию, в которой само пространство-время выступает в качестве носителя информации, что имеет важные последствия для нашего восприятия времени.
Согласно этому подходу, пространство-время не является идеально гладким, как предполагает теория относительности, а состоит из дискретных элементов, каждый из которых обладает ограниченной способностью фиксировать квантовую информацию от проходящих частиц и полей. Эти элементы — не биты в цифровом смысле, а физические носители квантовой информации, способные сохранять память о прошлых взаимодействиях.
Чтобы представить их себе, можно вообразить пространство-время в виде материала, состоящего из крошечных ячеек, сохраняющих память. Подобно тому, как кристаллическая решётка может хранить дефекты, возникшие ранее, эти микроскопические элементы пространства-времени могут сохранять следы прошедших через них взаимодействий. Это не частицы в привычном смысле, описываемом стандартной моделью физики элементарных частиц, а более фундаментальный уровень физической структуры, с которым физика элементарных частиц взаимодействует, а не объясняет его.
Это имеет важное значение. Если пространство-время хранит информацию, то его текущее состояние отражает не только то, что существует сейчас, но и всё, что происходило раньше. Регионы, в которых произошло больше взаимодействий, несут в себе иной информационный отпечаток, чем регионы, в которых их было меньше. С этой точки зрения Вселенная не просто развивается в соответствии с неизменными законами, применимыми к изменяющимся состояниям. Она помнит.
Записывающий космос
Это воспоминание не является метафорой. Каждое физическое взаимодействие оставляет информационный след. Хотя основные уравнения квантовой механики можно использовать для движения во времени в прямом или обратном направлении, реальные взаимодействия никогда не происходят изолированно. Они неизбежно затрагивают окружение, распространяют информацию и оставляют неизгладимые следы произошедшего. Как только эта информация распространяется в более широком окружении, для её восстановления требуется отменить не только одно событие, но и все физические изменения, которые оно повлекло за собой. На практике это невозможно.
Вот почему информацию нельзя стереть, а разбитые чашки нельзя склеить. Но суть глубже. Каждое взаимодействие оставляет неизгладимый след в структуре Вселенной, будь то столкновение атомов или формирование галактик.
С этой точки зрения оказывается, что геометрия и информация тесно связаны. В нашей работе мы показали, что искривление пространства-времени зависит не только от массы и энергии, как учил нас Эйнштейн, но и от того, как распределяется квантовая информация, в частности запутанность. Запутанность — это квантовый процесс, который таинственным образом связывает частицы в отдалённых областях пространства и позволяет им обмениваться информацией, несмотря на расстояние. И эти информационные связи влияют на эффективную геометрию, которую ощущают материя и излучение.
С этой точки зрения геометрия пространства-времени — это не просто реакция на то, что существует в данный момент, но и на то, что произошло. Области, в которых произошло много взаимодействий, в среднем ведут себя так, как будто они искривляются сильнее и обладают большей гравитацией, чем области, в которых взаимодействий было меньше.
Такое переосмысление слегка меняет роль пространства-времени. Вместо того чтобы быть нейтральной ареной, на которой разворачиваются события, пространство-время становится активным участником. Оно хранит информацию, ограничивает будущую динамику и определяет, как могут происходить новые взаимодействия. Это, естественно, поднимает более глубокий вопрос. Если пространство-время записывает информацию, может ли время возникнуть в результате этого процесса записи, а не предполагаться изначально?
Время, возникающее из информации
Недавно мы распространили эту информационную концепцию на само время. Вместо того чтобы рассматривать время как фундаментальный фоновый параметр, мы показали, что временной порядок возникает из необратимой информационной импринтации. С этой точки зрения время — это не то, что мы искусственно добавляем в физику. Оно возникает из-за того, что информация записывается в физических процессах и, согласно известным законам термодинамики и квантовой физики, не может быть глобально «перезаписана». Идея простая, но далеко идущая.
Каждое взаимодействие, например столкновение двух частиц, оставляет во Вселенной информацию. Эти следы накапливаются. Поскольку их невозможно стереть, они определяют естественный порядок событий. Более ранние состояния содержат меньше информационных записей. Более поздние состояния содержат больше записей.
Квантовые уравнения не определяют направление времени, но это делает процесс распространения информации. После того как информация распространилась, физического пути обратно к состоянию, в котором она была локализована, не существует. Таким образом, временной порядок обусловлен этой необратимостью, а не самими уравнениями.
С этой точки зрения время — это не то, что существует независимо от физических процессов. Это совокупная запись о том, что произошло. Каждое взаимодействие добавляет новую запись, и стрелка времени отражает тот факт, что эта запись только увеличивается.
Будущее отличается от прошлого, потому что Вселенная содержит больше информации о прошлом, чем когда-либо сможет содержать о будущем. Это объясняет, почему время имеет направление, не зависящее от особых начальных условий с низкой энтропией или чисто статистических аргументов. Пока происходят взаимодействия и информация необратимо фиксируется, время идёт вперёд.
Интересно, что этот накопленный информационный след может иметь наблюдаемые последствия. На галактическом уровне остаточный информационный след ведёт себя как дополнительная гравитационная составляющая, определяя вращение галактик без привлечения новых частиц. Действительно, неизвестное вещество, называемое тёмной материей, было введено для объяснения того, почему галактики и скопления галактик вращаются быстрее, чем позволяла бы их видимая масса.
Согласно информационной картине, это дополнительное гравитационное притяжение возникает не из-за невидимой тёмной материи, а из-за того, что само пространство-время хранит долгую историю взаимодействий. Области, в которых накопилось больше информационных следов, сильнее реагируют на движение и искривление, что эффективно усиливает их гравитацию. Звёзды вращаются быстрее не потому, что в них больше массы, а потому, что пространство-время, в котором они движутся, несёт в себе более тяжёлую информационную память о прошлых взаимодействиях.
Галактики вращаются быстрее, чем должны. Авторы Wirestock/Shutterstock
С этой точки зрения тёмная материя, тёмная энергия и стрела времени могут быть результатом одного и того же фундаментального процесса: необратимого накопления информации.
Проверка временем
Но сможем ли мы когда-нибудь проверить эту теорию? Идеи о времени часто обвиняют в том, что они скорее философские, чем научные. Поскольку время так тесно связано с тем, как мы описываем изменения, легко предположить, что любая попытка переосмыслить его должна оставаться абстрактной. Однако информационный подход позволяет делать конкретные прогнозы и напрямую связан с системами, которые мы можем наблюдать, моделировать, а в некоторых случаях и исследовать экспериментально.
Чёрные дыры представляют собой естественную испытательную площадку, поскольку, судя по всему, они стирают информацию. В рамках информационной теории этот конфликт разрешается признанием того, что информация не уничтожается а запечатлевается в пространстве-времени до пересечения горизонта. Чёрная дыра записывает её.
Это имеет важное значение для понимания времени. По мере того как материя падает в чёрную дыру, взаимодействие усиливается, а передача информации ускоряется. Время продолжает идти своим чередом, потому что информация продолжает записываться, даже когда классические представления о пространстве и времени разрушаются вблизи горизонта событий и кажутся замедленными или застывшими для далёких наблюдателей.
По мере того как чёрная дыра испаряется из-за излучения Хокинга, накопленная информация не исчезает. Вместо этого она влияет на то, как происходит излучение. Излучение должно содержать едва заметные признаки, отражающие историю чёрной дыры. Другими словами, исходящее излучение не является абсолютно случайным. Его структура определяется информацией, ранее записанной в пространстве-времени. Обнаружить такие признаки пока невозможно, но они представляют собой чёткую цель для будущих теоретических и экспериментальных исследований.
Те же принципы можно исследовать на гораздо меньших контролируемых системах. В лабораторных экспериментах с квантовыми компьютерами кубиты (квантовый компьютерный эквивалент битов) можно рассматривать как информационные ячейки с ограниченной ёмкостью, как и ячейки пространства-времени. Исследователи показали, что даже если базовые квантовые уравнения обратимы, то способ записи, распространения и извлечения информации может создавать эффективную стрелу времени в лаборатории. Эти эксперименты позволяют физикам проверить, как ограничения на хранение информации влияют на обратимость, без использования космологических или астрофизических систем.
Расширенная версия этой теории предполагает, что информационный импринтинг характерен не только для гравитации. Он может играть роль во всех фундаментальных взаимодействиях, включая электромагнетизм и ядерные силы. Если это так, то направление времени в конечном счете связано с тем, как информация сохраняется во всех взаимодействиях, а не только в гравитационных. Чтобы проверить эту гипотезу, нужно найти ограничения на обратимость или восстановление информации в различных физических процессах.
В совокупности эти примеры показывают, что информационное время — это не абстрактная интерпретация. Оно связывает чёрные дыры, квантовые эксперименты и фундаментальные взаимодействия с помощью общего физического механизма, который можно изучать, ограничивать и потенциально опровергать по мере расширения наших экспериментальных возможностей.
Что такое время на самом деле
Представления об информации не заменяют теорию относительности или квантовую механику. В обычных условиях информационное время практически совпадает со временем, измеряемым часами. Для большинства практических целей привычная картина времени работает очень хорошо. Различия проявляются в тех случаях, когда традиционные описания не работают.
Вблизи горизонта событий чёрной дыры или в самые ранние моменты существования Вселенной привычное представление о времени как о плавной внешней координате становится неоднозначным. Информационное время, напротив, остаётся чётко определённым до тех пор, пока происходят взаимодействия и информация необратимо фиксируется.
Все это может заставить вас задуматься о том, что же такое время на самом деле. Этот сдвиг в восприятии меняет ход давних дискуссий. Вопрос уже не в том, следует ли считать время фундаментальным свойством Вселенной, а в том, отражает ли оно более глубокий процесс, лежащий в основе мироздания.
С этой точки зрения стрела времени может естественным образом возникать в результате физических взаимодействий, которые фиксируют информацию и необратимы. Таким образом, время — это не таинственный фоновый параметр, существующий отдельно от физики. Это то, что Вселенная генерирует внутри себя посредством собственной динамики. В конечном счёте время не является фундаментальной частью реальности, а возникает из более базовых составляющих, таких как информация.
Станет ли эта концепция окончательным ответом или лишь промежуточным этапом, ещё предстоит выяснить. Как и многие другие идеи в фундаментальной физике, она будет жить или умрёт в зависимости от того, насколько хорошо она связывает теорию с наблюдениями. Но она уже предполагает поразительное изменение точки зрения.
Вселенная не просто существует во времени. Время — это то, что Вселенная постоянно записывает в себя.
Автор Флориан Нойкарт Доцент кафедры физики Лейденского университета