Теоретическое исследование ученых из Суррейского университета предположило, что направление времени может не быть фундаментально фиксированным в определенных квантовых системах. Работа, опубликованная в Scientific Reports, изучала, как «стрела времени» может возникать из микроскопической физики, и обнаружила, что симметрия обращения времени может сохраняться даже в моделях, используемых для описания таких процессов, как потеря энергии и тепловая релаксация.
Стрела времени относится к наблюдаемому однонаправленному движению от прошлого к будущему в повседневной жизни. В макроскопических процессах это легко заметить. Пролитое молоко растекается по столу и не собирается обратно в стакан, а тепло переходит от более горячих объектов к более холодным. Эти процессы формируют общепринятое представление о том, что время движется в одном направлении.
Однако на уровне фундаментальной физики многие уравнения не отдают предпочтения какому-либо одному направлению времени. Симметрия обращения времени означает, что одни и те же физические законы могут описывать систему независимо от того, движется время вперед или назад. Это затруднило объяснение того, почему в макромире появляется необратимое поведение, даже если лежащие в его основе правила этого не требуют.
Доктор Андреа Рокко, доцент физики и математической биологии в Суррейском университете, описала этот контраст: «Один из способов объяснить это заключается в том, что, когда вы смотрите на процесс, такой как пролитое молоко, растекающееся по столу, очевидно, что время движется вперед. Но если бы вы прокрутили это в обратном направлении, как фильм, вы бы сразу поняли, что что-то не так — было бы трудно поверить, что молоко может просто собраться обратно в стакан.
Однако существуют процессы, такие как движение маятника, которые выглядят одинаково правдоподобно и в обратном направлении. Загадка в том, что на самом фундаментальном уровне законы физики похожи на маятник; они не учитывают необратимые процессы. Наши выводы предполагают, что, хотя наш общий опыт подсказывает нам, что время движется только в одну сторону, мы просто не осознаем, что противоположное направление было бы столь же возможным».
Исследование было сосредоточено на открытых квантовых системах, то есть квантовых системах, которые взаимодействуют с окружающей средой. Эта среда, часто описываемая как тепловая ванна, может обмениваться энергией и информацией с системой. Исследователи использовали эту структуру для изучения того, как может появиться направление времени, даже когда лежащая в основе физика его не навязывает.
Ключевой частью анализа стало марковское приближение. Это упрощение, используемое во многих моделях, где предполагается, что система не сохраняет память о своих прошлых состояниях. Идея состоит в том, что изменения зависят только от текущего состояния, а не от более ранней истории. Это обычно используется при изучении тепловой релаксации, то есть процесса, при котором система приходит в равновесие со своей средой.
В исследовании также использовались такие понятия, как мастер-уравнения, включая уравнения Линдблада и Паули, которые описывают, как вероятности различных квантовых состояний изменяются со временем. Другая связанная модель, обсуждавшаяся в работе, — квантовое броуновское движение, описывающее случайное движение квантовой частицы, непрерывно взаимодействующей со своей средой. В этих описаниях может появиться «ядро памяти» — математический термин, учитывающий, как прошлые состояния влияют на текущее поведение.
Исследователи обнаружили, что применение марковского приближения не нарушает симметрию обращения времени. Даже когда система взаимодействовала с эффективно бесконечной тепловой ванной, результирующие уравнения движения оставались симметричными во времени. Это означало, что одно и то же математическое описание могло, в принципе, работать вперед или назад во времени без противоречий.
Исследование далее показало, что стандартные системы, используемые в открытых квантовых системах, включая квантовое броуновское движение и мастер-уравнения, такие как формы Линдблада и Паули, могут быть записаны в форме, симметричной относительно времени. Эти уравнения обычно используются для описания процессов, которые выглядят необратимыми, таких как диссипация и тепловая релаксация, но результаты предполагали, что их можно интерпретировать и как допускающие эволюцию в обоих направлениях времени.
Томас Гафф, научный сотрудник в области квантовой термодинамики, сказал: «Удивительной частью этого проекта было то, что даже после внесения стандартного упрощающего предположения в наши уравнения, описывающие открытые квантовые системы, уравнения вели себя одинаково, независимо от того, двигалась ли система вперед или назад во времени. Когда мы тщательно проработали математику, мы обнаружили, что такое поведение должно было иметь место, потому что ключевая часть уравнения, «ядро памяти», симметрична во времени.
Мы также обнаружили небольшую, но важную деталь, которую обычно упускают из виду, — появился разрывной во времени множитель, который сохранял свойство временной симметрии. Необычно видеть такой математический механизм в физическом уравнении, поскольку он не является непрерывным, и было очень удивительно увидеть, как он появляется так естественно».
Исследователи также отметили, что вывод однонаправленной стрелы времени из микроскопической динамики, симметричной относительно обращения времени, остается открытой проблемой в таких областях, как термодинамика, статистическая механика, физика элементарных частиц и космология. Их результаты предполагали, что некоторые стандартные описания необратимого поведения в открытых квантовых системах могут быть лучше поняты с использованием симметричной во времени формулировки марковости.
Согласно исследованию, процессы, такие как тепловая релаксация, которые обычно рассматриваются как необратимые, теоретически могут быть описаны таким образом, чтобы допускать эволюцию в любом направлении времени при одних и тех же правилах. Это не означает, что обращение времени происходит в повседневной жизни, а скорее то, что лежащие в основе уравнения строго не навязывают одно направление.
В целом, выводы предполагали, что воспринимаемое направление времени может возникать из того, как моделируются и аппроксимируются физические системы, а не из фундаментальной асимметрии самих законов. Исследователи отметили, что эта точка зрения может иметь последствия для текущей работы в области квантовой механики, термодинамики и космологии, касающейся происхождения стрелы времени.
Источник: University of Surrey, Nature
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
