Время кажется самым базовым свойством реальности. Секунды тикают, дни проходят, и всё — от движения планет до человеческой памяти — кажется разворачивающимся в одном, необратимом направлении. Мы рождаемся и умираем, и именно в таком порядке. Мы планируем свою жизнь, опираясь на время, одержимо его измеряем и переживаем его как непрерывный поток из прошлого в будущее. Ощущение того, что время движется вперед, настолько очевидно, что подвергать это сомнению кажется почти бессмысленным.
И все же вот уже более столетия физика безуспешно пытается объяснить, что же такое время на самом деле. Эта борьба — не просто философские придирки. Она лежит в основе некоторых самых глубоких проблем науки.
Современная физика опирается на разные, но в равной степени фундаментальные теории. Одна из них — общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает гравитацию и движение крупных объектов, таких как планеты. Другая — квантовая механика, управляющая микромиром атомов и частиц. А в еще более крупном масштабе стандартная модель космологии описывает рождение и эволюцию Вселенной в целом. Все они опираются на время, но при этом трактуют его несовместимыми способами.
Когда физики пытаются объединить эти теории в единую систему, время часто ведет себя неожиданным и тревожным образом. Иногда оно растягивается. Иногда замедляется. А иногда и вовсе исчезает.
Теория относительности Эйнштейна, по сути, была первым серьезным ударом по нашим обыденным представлениям о времени. Эйнштейн показал, что время не универсально. Оно течет с разной скоростью в зависимости от гравитации и движения. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, будут расходиться во мнениях о том, какие события произошли одновременно. Время стало чем-то эластичным, сплетенным с пространством в четырехмерную ткань, называемую пространством-временем.
Квантовая механика сделала все еще более странным. В квантовой теории время — это не то, что теория объясняет. Оно просто принимается как данность. Уравнения квантовой механики описывают, как системы эволюционируют во времени, но само время остается внешним параметром, фоновыми часами, которые находятся вне теории.
Срочные новости космоса, последние обновления о запусках ракет, событиях по наблюдению за звездами и многое другое!
Это несоответствие становится особенно острым, когда физики пытаются описать гравитацию на квантовом уровне, что имеет решающее значение для разработки столь желанной «теории всего», которая связала бы основные фундаментальные теории. Но во многих попытках создать такую теорию время как параметр исчезает из фундаментальных уравнений. Вселенная предстает застывшей, описываемой уравнениями, которые не содержат никакого упоминания об изменении.
Эта загадка известна как «проблема времени» и остается одним из самых трудноразрешимых препятствий на пути к единой теории физики. Несмотря на огромный прогресс в космологии и физике элементарных частиц, у нас до сих пор нет четкого объяснения, почему время вообще течет.
Сейчас относительно новый подход в физике, основанный на математическом аппарате теории информации, разработанной Клодом Шенноном в 1940-х годах, начал предлагать удивительные ответы.
Энтропия и стрела времени
Когда физики пытаются объяснить направление времени, они часто обращаются к понятию энтропии. Второй закон термодинамики гласит, что беспорядок имеет тенденцию к возрастанию. Стакан может упасть и разбиться вдребезги, но осколки никогда самопроизвольно не соберутся обратно. Эта асимметрия между прошлым и будущим часто отождествляется со стрелой времени.
Эта идея была чрезвычайно влиятельной. Она объясняет, почему многие процессы необратимы, в том числе и то, почему мы помним прошлое, но не будущее. Если Вселенная возникла в состоянии с низкой энтропией и становится все более хаотичной по мере эволюции, это, кажется, объясняет, почему время движется вперед. Но энтропия не решает проблему времени полностью.
Во-первых, фундаментальные уравнения квантовой механики не делают различий между прошлым и будущим. Стрела времени возникает только тогда, когда мы рассматриваем большое количество частиц и статистическое поведение. Это также поднимает более глубокий вопрос: почему Вселенная вообще началась в состоянии с такой низкой энтропией? Статистически, существует гораздо больше способов для Вселенной иметь высокую энтропию, чем низкую, так же как существует больше способов для комнаты быть грязной, чем чистой. Так почему же она должна была начаться в таком невероятном состоянии?
Информационная революция
За последние несколько десятилетий в физике произошла тихая, но далеко идущая революция. Информация, когда-то рассматривавшаяся как абстрактный инструмент бухгалтерского учета для отслеживания состояний или вероятностей, все чаще признается физической величиной самой по себе, такой же как материя или излучение. В то время как энтропия измеряет, сколько микроскопических состояний возможно, информация измеряет, как физические взаимодействия ограничивают и записывают эти возможности.
Этот сдвиг произошел не в одночасье. Он возникал постепенно, движимый загадками на стыке термодинамики, квантовой механики и гравитации, где отношение к информации как к чему-то чисто математическому начало приводить к противоречиям.
Одна из первых трещин появилась в физике черных дыр. Когда Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают тепловое излучение, это вызвало тревожную возможность: информация о том, что попадает в черную дыру, может быть навсегда утеряна в виде тепла. Этот вывод противоречил квантовой механике, которая требует сохранения информации.
Разрешение этого противоречия заставило физиков признать более глубокую истину. Информация — это не опция. Если мы хотим получить полное описание Вселенной, включающее квантовую механику, информация не может просто исчезнуть, не подрывая основ физики. Это осознание имело глубокие последствия. Стало ясно, что у информации есть термодинамическая стоимость, что ее стирание рассеивает энергию, а для ее хранения требуются физические ресурсы.
Параллельно возникли удивительные связи между гравитацией и термодинамикой. Было показано, что уравнения Эйнштейна могут быть выведены из термодинамических принципов, связывающих геометрию пространства-времени напрямую с энтропией и информацией. С этой точки зрения, гравитация ведет себя не совсем как фундаментальная сила.
Вместо этого гравитация, по-видимому, является тем, что физики называют «эмерджентной» — явлением, описывающим нечто большее, чем сумма его частей, возникающим из более фундаментальных составляющих. Возьмем температуру. Мы все можем ее чувствовать, но на фундаментальном уровне отдельная частица не может иметь температуру. Это не фундаментальное свойство. Вместо этого оно возникает только как результат коллективного движения множества молекул.
Точно так же гравитацию можно описать как эмерджентное явление, возникающее из статистических процессов. Некоторые физики даже предположили, что сама гравитация может возникать из информации, отражая то, как информация распределяется, кодируется и обрабатывается.
Эти идеи приглашают к радикальной смене перспективы. Вместо того чтобы рассматривать пространство-время как первичное, а информацию как нечто, живущее внутри него, информация может быть более фундаментальным ингредиентом, из которого само пространство-время возникает. Основываясь на этом исследовании, мои коллеги и я исследовали структуру, в которой само пространство-время действует как среда хранения информации — и это имеет важные последствия для того, как мы рассматриваем время.
В этом подходе пространство-время не является идеально гладким, как предполагает теория относительности, а состоит из дискретных элементов, каждый из которых обладает конечной емкостью для записи квантовой информации от проходящих частиц и полей. Эти элементы — не биты в цифровом смысле, а физические носители квантовой информации, способные сохранять память о прошлых взаимодействиях.
Полезный способ представить их — думать о пространстве-времени как о материале, состоящем из крошечных ячеек, несущих память. Подобно тому, как кристаллическая решетка может хранить дефекты, возникшие ранее во времени, эти микроскопические элементы пространства-времени могут сохранять следы взаимодействий, которые через них прошли. Это не частицы в обычном смысле, описываемые стандартной моделью физики элементарных частиц, а более фундаментальный слой физической структуры, на котором физика частиц работает, а не который объясняет.
Это имеет важное следствие. Если пространство-время записывает информацию, то его текущее состояние отражает не только то, что существует сейчас, но и все, что происходило раньше. Области, пережившие больше взаимодействий, несут другой информационный отпечаток, чем области, пережившие их меньше. Вселенная, с этой точки зрения, не просто эволюционирует в соответствии с вневременными законами, применяемыми к изменяющимся состояниям. Она помнит.
Записывающая Вселенная
Эта память не метафорична. Каждое физическое взаимодействие оставляет информационный след. Хотя основные уравнения квантовой механики могут быть «проиграны» вперед или назад во времени, реальные взаимодействия никогда не происходят в изоляции. Они неизбежно вовлекают окружение, «просачиваются» информацией наружу и оставляют долговременные записи о том, что произошло. Как только эта информация распространилась в более широкую среду, ее восстановление потребовало бы отмены не только одного события, но и каждого физического изменения, которое оно вызвало на своем пути. На практике это невозможно.
Вот почему информацию нельзя стереть, а разбитые чашки не собираются обратно. Но следствие глубже. Каждое взаимодействие записывает нечто постоянное в структуру Вселенной, будь то в масштабе сталкивающихся атомов или формирующихся галактик.
Геометрия и информация оказываются глубоко связаны в этом представлении. 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 распределена квантовая информация, особенно запутанность. Запутанность — это квантовый процесс, который таинственным образом связывает частицы в отдаленных областях пространства — он позволяет им обмениваться информацией, несмотря на расстояние. И эти информационные связи вносят вклад в эффективную геометрию, которую испытывают 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, которые зарегистрировали множество взаимодействий, в среднем ведут себя так, как будто они искривлены сильнее, имеют более сильную гравитацию, чем области, записавшие меньше.
Это переосмысление тонко 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 формирует то, как могут происходить новые взаимодействия. Это естественным образом поднимает более глубокий вопрос. Если пространство-время записывает информацию, может ли время возникать из этого процесса записи, а не предполагаться с самого начала?
Время, возникающее из информации
Недавно мы распространили эту информационную перспективу на само время. Вместо того чтобы рассматривать время как фундаментальный фоновый параметр, мы показали, что временной порядок возникает из необратимого запечатления информации. В этом представлении время — это не то, что добавляется в физику вручную. Оно возникает потому, что информация записывается в физических процессах и, согласно известным законам термодинамики и квантовой физики, не может быть глобально стерта обратно. Идея проста, но имеет далеко идущие последствия.
Каждое взаимодействие, например, столкновение двух частиц, записывает информацию во Вселенную. Эти отпечатки накапливаются. Поскольку их нельзя стереть, они определяют естественный порядок событий. Более ранние состояния — это те, в которых меньше информационных записей. Более поздние состояния — те, в которых их больше.
Квантовые уравнения не предпочитают какое-либо направление времени, но процесс распространения информации — предпочитает. Как только информация распространилась, не существует физического пути назад к состоянию, в котором она была локализована. Таким образом, временной порядок укоренен в этой необратимости, а не в самих уравнениях.
Время, с этой точки зрения, — это не то, что существует независимо от физических процессов. Это совокупная запись того, что произошло. Каждое взаимодействие добавляет новую запись, и стрела времени отражает тот факт, что эта запись только растет.
Будущее отличается от прошлого потому, что Вселенная содержит больше информации о прошлом, чем она когда-либо сможет содержать о будущем. Это объясняет, почему у времени есть направление, не полагаясь на особые начальные условия с низкой энтропией или чисто статистические аргументы. До тех пор, пока происходят взаимодействия и информация необратимо записывается, время движется вперед.
Интересно, что этот накопленный информационный отпечаток может иметь наблюдаемые последствия. В галактических масштабах остаточный информационный отпечаток ведет себя как дополнительный гравитационный компонент, формируя то, как вращаются галактики, без привлечения новых частиц. Действительно, таинственное вещество, названное темной материей, было введено для объяснения того, почему галактики и скопления галактик вращаются быстрее, чем позволяла бы их видимая масса.
В информационной картине это дополнительное гравитационное притяжение исходит не от невидимой темной материи, а от того факта, что само пространство-время записало долгую историю взаимодействий. Области, накопившие больше информационных отпечатков, сильнее реагируют на движение и кривизну, эффективно усиливая свою гравитацию. Звезды вращаются быстрее не потому, что присутствует большая масса, а потому, что пространство-время, через которое они движутся, несет более тяжелую информационную память о прошлых взаимодействиях.
С этой точки зрения, темная материя, темная энергия и стрела времени могут возникать из одного и того же основополагающего процесса: необратимого накопления информации.
Проверка времени
Но можем ли мы когда-нибудь проверить эту теорию? Идеи о времени часто обвиняют в том, что они философские, а не научные. Поскольку время так глубоко вплетено в то, как мы описываем изменения, легко предположить, что любая попытка переосмыслить его должна оставаться абстрактной. Однако информационный подход дает конкретные предсказания и напрямую связан с системами, которые мы можем наблюдать, моделировать, а в некоторых случаях и экспериментально исследовать.
Черные дыры предоставляют естественный испытательный полигон, так как, кажется, предполагают, что информация стирается. В информационной структуре это противоречие разрешается признанием того, что информация не уничтожается, а запечатлевается в пространстве-времени до пересечения горизонта событий. Черная дыра записывает ее.
Это имеет важное значение для времени. Когда материя падает в черную дыру, взаимодействия усиливаются, и запечатление информации ускоряется. Время продолжает идти вперед локально, потому что информация продолжает записываться, даже когда классические представления о пространстве и времени разрушаются вблизи горизонта и, кажется, замедляются или замирают для удаленных наблюдателей.
По мере того как черная дыра испаряется через излучение Хокинга, накопленная информационная запись не исчезает. Вместо этого она влияет на то, как излучение испускается. Излучение должно нести тонкие признаки, отражающие историю черной дыры. Другими словами, исходящее излучение не является идеально случайным. Его структура формируется информацией, ранее записанной в пространстве-времени. Обнаружение таких признаков пока остается за пределами современных технологий, но они дают четкую цель для будущих теоретических и наблюдательных работ.
Те же принципы могут быть изучены в гораздо меньших, контролируемых системах. В лабораторных экспериментах с квантовыми компьютерами кубиты (квантовый аналог битов) можно рассматривать как информационные ячейки с конечной емкостью, подобные ячейкам пространства-времени. Исследователи показали, что даже когда основные квантовые уравнения обратимы, то, как информация записывается, распространяется и извлекается, может порождать эффективную стрелу времени в лаборатории. Эти эксперименты позволяют физикам проверять, как ограничения на хранение информации влияют на обратимость, без необходимости использования космологических или астрофизических систем.
Расширения той же структуры предполагают, что запечатление информации не ограничивается гравитацией. Оно может играть роль во всех фундаментальных силах природы, включая электромагнетизм и ядерные силы. Если это верно, то стрелу времени в конечном итоге можно будет проследить до того, как все взаимодействия записывают информацию, а не только гравитационные. Проверка этого включала бы поиск пределов обратимости или восстановления информации в различных физических процессах.
В совокупности эти примеры показывают, что информационное время — это не абстрактная переинтерпретация. Оно связывает черные дыры, квантовые эксперименты и фундаментальные взаимодействия через общий физический механизм, который можно исследовать, ограничивать и потенциально фальсифицировать по мере того, как наши экспериментальные возможности продолжают расти.
Что такое время на самом деле
Идеи об информации не заменяют теорию относительности или квантовую механику. В повседневных условиях информационное время тесно соответствует времени, измеряемому часами. Для большинства практических целей привычная картина времени работает чрезвычайно хорошо. Разница проявляется в областях, где традиционные описания сталкиваются с трудностями.
Вблизи горизонтов черных дыр или в самые ранние моменты существования Вселенной обычное понятие времени как гладкой, внешней координаты становится неоднозначным. Информационное время, напротив, остается четко определенным до тех пор, пока происходят взаимодействия и информация необратимо записывается.
Все это может заставить вас задуматься, что же такое время на самом деле. Этот сдвиг переосмысливает давний спор. Вопрос больше не в том, должно ли время считаться фундаментальным ингредиентом Вселенной, а в том, отражает ли оно более глубокий лежащий в основе процесс.
В этом представлении стрела времени может естественным образом возникать из физических взаимодействий, которые записывают информацию и не могут быть обращены вспять. Время, таким образом, — это не таинственный фоновый параметр, существующий отдельно от физики. Это то, что Вселенная генерирует внутренне, через свою собственную динамику. В конечном счете, это не фундаментальная часть реальности, а нечто, возникающее из более базовых составляющих, таких как информация.
Будет ли эта структура окончательным ответом или лишь промежуточным этапом, покажет время. Как и многие идеи в фундаментальной физике, она будет принята или отвергнута в зависимости от того, насколько хорошо она связывает теорию с наблюдениями. Но она уже предполагает поразительную смену перспективы.
Вселенная не просто существует во времени. Время — это то, что Вселенная непрерывно вписывает в себя.
Возможно, самое удивительное в этой идее то, что она превращает время из пассивного фона в активный процесс. Мы привыкли думать, что события происходят во времени, но информационный подход говорит нам, что время само является результатом событий. Оно "кристаллизуется" из каждого взаимодействия, каждого обмена информацией. Это означает, что в гипотетической Вселенной, где ничего не происходит — нет движения, нет изменений, нет взаимодействий — времени бы тоже не существовало. Оно застыло бы вместе с материей.
Это также придает новый смысл нашему собственному существованию. Как сложные информационные системы, мы не просто наблюдаем течение времени. Мы своим каждым действием, каждой мыслью, каждым взаимодействием с миром добавляем новые записи в эту космическую летопись. Мы — соавторы времени, активные участники процесса, которым Вселенная пишет свою собственную историю. И в этом смысле время — это не река, по которой мы плывем, а сам акт нашего плавания, оставляющий неизгладимый след на берегах реальности.
В нашем Telegram‑канале, вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Поделитесь:
Оставьте Комментарий