Млечный Путь Номер 1 (27) 2019 год

"Это одна из серии работ, посвященных возможности нарушить второе начало термодинамики - закон физики, тесно связанный с понятием стрелы времени, различием между прошлым и будущим. Сначала мы описали локальный вечный двигатель второго рода. В декабре 2018 года вышла наша работа, где второе начало локально нарушается за счет специального устройства, демона Максвелла. И теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны - искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону", - рассказывает Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ и ведущий автор исследования.

Откуда берется время

Законы физики в большинстве своем не делают различия между прошлым и будущим. Например, одним уравнением можно описать столкновение и отскок двух бильярдных шаров одного цвета. Если записать этот процесс на видео и проиграть в обратную сторону, то без дополнительных подсказок неясно, какая версия "настоящая": из прошлого в будущее или из будущего в прошлое. Уравнение описывает обе ситуации одновременно. У версии "из прошлого в будущее" нет никакого приоритета.

Однако если заснять на видео, как один бильярдный шар разбивает пирамиду, и потом проиграть запись обратно, то даже человек, который в первый раз видит эту игру, сможет отличить настоящий сценарий развития событий от фантастического. При этом наблюдатель интуитивно опирается на второй закон термодинамики. Закон гласит, что если некоторая система не имеет притока энергии извне, то она либо сохраняет свое состояние, либо самопроизвольно движется в сторону хаоса, но не порядка.

Большинство других законов физики не запрещают, чтобы катающиеся шары сами складывались в пирамиду, растворенный в стакане чай собирался в пакетик, а вулкан извергался вовнутрь. Но все эти процессы мы не наблюдаем, поскольку они требуют, чтобы изолированная система самопроизвольно упорядочивалась, а это противоречит второму закону термодинамики. Природа второго начала не объяснена окончательно во всех деталях, но ученые существенно продвинулись в понимании базовых принципов.

Может ли время само обратиться вспять

Квантовые физики из МФТИ решили проверить, возможно ли, что время само собой обернется вспять хотя бы для отдельно взятой частицы и хотя бы на долю секунды. Вместо бильярдных шаров они рассмотрели одиночный электрон в пустом межзвездном пространстве.

"Допустим, в начальный момент наблюдений электрон локализован. Это значит, что мы почти наверняка знаем, где он находится. Узнать конкретную точку по законам квантовой механики не получится, но можно очертить небольшой участок пространства, в котором локализован электрон", - говорит Андрей Лебедев, соавтор исследования из МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха.

Дальнейшая эволюция электрона описывается уравнением Шредингера. Это уравнение не делает различия между прошлым и будущим, но участок пространства, в котором локализован электрон, уже через доли секунды "расползется". Система стремится к хаосу - со временем мы знаем о местонахождении электрона все меньше. Неопределенность растет. Такое поведение состояния отдельной частицы является аналогом увеличения энтропии большой системы, описываемой вторым началом термодинамики.

"Однако уравнение Шредингера обратимо. С математической точки зрения это значит, что если подвергнуть его определенному преобразованию (оно называется комплексным сопряжением), то полученное уравнение будет описывать, как "размазанный" электрон локализуется обратно за то же время, что ушло на "расползание". Хотя в природе такое явление не наблюдается, теоретически оно может произойти из-за случайной флуктуации реликтового излучения, которым пронизано межзвездное пространство", - добавил соавтор работы, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории США.

Авторы вычислили вероятность наблюдать, как электрон, "размазавшийся" за малую долю секунды, затем самопроизвольно локализуется. Оказалось, что даже если ежесекундно находить и по очереди наблюдать по 10 миллиардов "свежелокализованных" электронов, висящих в пустом пространстве, то всего времени жизни Вселенной (13,7 миллиарда лет) хватит, чтобы лишь один раз увидеть обратную эволюцию состояния электрона. И то речь идет о возврате электрона в прошлое не на минуту и не на секунду, а примерно на одну десятимиллиардную долю секунды.

Ясно, что в макроскопических явлениях (столкновение шаров и тому подобное) задействовано умопомрачительное количество электронов, и происходящее длится несравненно дольше. Поэтому мы, тем более, не наблюдаем, чтобы люди молодели, а чернильная клякса на бумаге собиралась в каплю.

Как заставить время течь вспять

Далее ученые попытались обратить время вспять в эксперименте. Вместо электрона наблюдалось состояние квантового компьютера, состоявшего сначала из двух, а затем из трех элементов - сверхпроводящих кубитов.