Несмотря на то, что наша жизнь всецело подчинена ощущению течения времени, мы до сих пор не знаем, что такое время на самом деле.
Время кажется самой базовой характеристикой реальности. Тикают секунды, проходят дни, и всё — от движения планет до человеческой памяти — разворачивается в одном, необратимом направлении. Мы рождаемся и умираем, и именно в таком порядке. Мы строим свою жизнь вокруг времени, одержимо его измеряем и ощущаем как непрерывный поток из прошлого в будущее. Ощущение, что время движется вперёд, настолько очевидно, что подвергать это сомнению кажется почти бессмысленным.
И всё же уже более века физика изо всех сил пытается объяснить, что же такое время. Эта борьба — не философские придирки. Она лежит в основе самых глубоких проблем науки.
Современная физика опирается на разные, но одинаково важные концепции. Одна из них — общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию и движение крупных объектов, таких как планеты. Другая — квантовая механика, управляющая микромиром атомов и частиц. А в ещё больших масштабах стандартная космологическая модель описывает рождение и эволюцию Вселенной в целом. Все они опираются на время, но трактуют его несовместимым образом.
Когда физики пытаются объединить эти теории в единую систему, время часто ведёт себя неожиданно и проблематично. Оно может растягиваться, замедляться, а иногда и вовсе исчезать из уравнений.
Теория относительности Эйнштейна нанесла первый серьёзный удар по нашему обыденному представлению о времени. Эйнштейн показал, что время не универсально. Оно течёт с разной скоростью в зависимости от гравитации и движения. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, не согласятся в том, какие события произошли одновременно. Время стало чем-то эластичным, сплетённым с пространством в четырёхмерную ткань пространства-времени.
Квантовая механика сделала всё ещё страннее. В квантовой теории время — это не то, что теория объясняет. Оно просто постулируется. Уравнения квантовой механики описывают, как системы эволюционируют относительно времени, но само время остаётся внешним параметром, фоновыми часами, находящимися за пределами теории.
Это несоответствие становится критическим, когда физики пытаются описать гравитацию на квантовом уровне, что необходимо для разработки вожделенной «теории всего». Но во многих попытках создать такую теорию время как параметр вообще исчезает из фундаментальных уравнений. Вселенная предстаёт застывшей, описываемой уравнениями, не ссылающимися на изменение.
Эта загадка известна как проблема времени, и она остаётся одним из самых упорных препятствий на пути к единой теории физики.
Информационная революция
За последние несколько десятилетий в физике произошла тихая, но далеко идущая революция. Информация, которую когда-то рассматривали как абстрактный инструмент для отслеживания состояний или вероятностей, всё чаще признаётся самостоятельной физической величиной, такой же, как материя или излучение. Если энтропия измеряет, сколько микроскопических состояний возможно, то информация измеряет, как физические взаимодействия ограничивают и фиксируют эти возможности.
Одни из первых трещин в старом понимании появились в физике чёрных дыр. Когда Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры испускают тепловое излучение, возникла тревожная возможность: информация о том, что падает в чёрную дыру, может быть безвозвратно потеряна в виде тепла. Этот вывод противоречил квантовой механике, которая требует сохранения всей информации. Разрешение этого противоречия заставило физиков признать более глубокую истину: информация не является опциональной.
Параллельно появились удивительные связи между гравитацией и термодинамикой. Было показано, что уравнения Эйнштейна могут быть выведены из термодинамических принципов, напрямую связывающих геометрию пространства-времени с энтропией и информацией. В этом свете гравитация ведёт себя не совсем как фундаментальная сила.
Вместо этого гравитация выглядит как эмерджентное явление — феномен, описывающий нечто большее, чем сумма частей, возникающее из более фундаментальных составляющих. Подобно тому, как температура возникает из коллективного движения множества молекул, гравитация может возникать из статистических процессов. Некоторые физики даже предполагают, что сама гравитация может возникать из информации, отражая то, как информация распределяется, кодируется и обрабатывается.
Эти идеи предполагают радикальный сдвиг в перспективе. Вместо того чтобы рассматривать пространство-время как первичное, а информацию как нечто существующее внутри него, информация может быть более фундаментальным ингредиентом, из которого само пространство-время возникает.
Вселенная, которая записывает
В рамках этого подхода, пространство-время не является идеально гладким, как предполагает теория относительности. Оно состоит из дискретных элементов, каждый из которых обладает конечной способностью записывать квантовую информацию от проходящих частиц и полей. Полезно представлять их себе как ячейки пространства-времени, несущие память. Каждое физическое взаимодействие оставляет информационный след.
Это имеет важное следствие. Если пространство-время записывает информацию, то его текущее состояние отражает не только то, что существует сейчас, но и всё, что произошло ранее. Области, пережившие больше взаимодействий, несут иной информационный отпечаток, чем области, пережившие меньше. Вселенная, с этой точки зрения, не просто эволюционирует согласно вневременным законам. Она помнит.
Эта память не метафорична. Поскольку информация, будучи записанной в структуру Вселенной, не может быть стёрта, это объясняет, почему многие процессы необратимы. Но следствие идёт глубже: каждое взаимодействие навсегда записывает что-то в структуру Вселенной.
В нашей работе мы показали, что кривизна пространства-времени зависит не только от массы и энергии, как учил Эйнштейн, но и от того, как распределена квантовая информация, в частности квантовая запутанность. Эти информационные связи влияют на геометрию, которую ощущают материя и излучение. С этой точки зрения геометрия пространства-времени — это не просто ответ на то, что существует в данный момент, но и на то, что произошло.
Время, возникающее из информации
Недавно мы расширили эту информационную перспективу до самого времени. Мы показали, что временной порядок возникает из необратимого процесса записи информации. В этой концепции время — не фундаментальный фоновый параметр, который нужно добавлять в физику вручную. Оно возникает потому, что информация записывается в физических процессах и, согласно известным законам термодинамики и квантовой физики, не может быть глобально «стёрта».
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 состояния с меньшим количеством информационных записей. Более поздние состояния — с большим.
Квантовые уравнения не отдают предпочтения направлению времени, но процесс распространения информации — даёт. Время, с этой точки зрения, — не то, что существует независимо от физических процессов. Это совокупная запись того, что произошло. Каждое взаимодействие добавляет новую запись, а стрела времени отражает тот факт, что эта запись только растёт.
Проверка времени
Можно ли проверить эту теорию? Информационный подход даёт конкретные предсказания. Например, ускоряющееся вращение галактик, которое обычно объясняют таинственной тёмной материей, в этой картине может возникать из-за того, что само пространство-время в этих областях накопило долгую историю взаимодействий и несёт более «тяжёлый» информационный след, эффективно усиливая гравитацию. Таким образом, тёмная материя, тёмная энергия и стрела времени могут иметь общую природу — необратимое накопление информации.
Естественным полигоном для проверки служат чёрные дыры. В информационной рамке информация, падающая в чёрную дыру, не уничтожается, а впечатывается в само пространство-время до пересечения горизонта. Это влияет на характер испускаемого хокинговского излучения — оно должно нести тонкие признаки, отражающие историю дыры. Хотя обнаружить это пока невозможно, это даёт чёткую цель для будущих исследований.
Те же принципы можно изучать в лаборатории с помощью квантовых компьютеров. Кубиты можно рассматривать как ячейки с конечной ёмкостью для информации, аналогичные ячейкам пространства-времени. Эксперименты уже показывают, как запись и распространение информации порождают эффективную стрелу времени даже в обратимых квантовых системах.
Что же такое время в итоге?
Идеи об информации не заменяют теорию относительности или квантовую механику. В привычных условиях информационное время практически совпадает со временем, измеряемыми часами. Различия проявляются там, где обычные описания дают сбой: у горизонтов чёрных дыр или в самые первые мгновения жизни Вселенной. Обычное представление о времени как о гладком внешнем параметре становится неопределённым. Информационное же время остаётся чётко определённым до тех пор, пока происходят взаимодействия и записывается информация.
Это смещает акцент в давних дебатах. Вопрос больше не в том, нужно ли считать время фундаментальным ингредиентом Вселенной, а в том, не отражает ли оно более глубокий базовый процесс.
В этой концепции время — не таинственный фон, стоящий особняком от физики. Это нечто, что Вселенная генерирует внутренне, через собственную динамику. Оно не является фундаментальной частью реальности, а возникает из более базовых составляющих, таких как информация.
Будет ли эта концепция окончательным ответом или лишь шагом на пути — покажет будущее. Как и многие идеи в фундаментальной физике, она устоит или падёт в зависимости от того, насколько хорошо сможет связать теорию с наблюдениями. Но она уже предлагает поразительное изменение перспективы: Вселенная не просто существует во времени. Время — это то, что Вселенная непрерывно записывает в саму себя.
Флориан Нойкарт, доцент физики Лейденского университета.
Этот информационный подход к времени ставит под сомнение саму природу реальности. Если время эмерджентно, то, возможно, и причинность — наше глубинное убеждение, что прошлое определяет будущее, — тоже является производным понятием, возникающим из локальных корреляций в гигантской информационной сети Вселенной. Это поднимает глубокие вопросы для философии и нашего места во Вселенной: наша свобода воли, наше ощущение «сейчас» — всё это может оказаться сложными паттернами в процессе постоянной космической записи.
С практической точки зрения, эта теория открывает новые пути для решения загадок космологии, таких как природа тёмной энергии и начальные условия Большого взрыва. Возможно, необъяснимо низкая энтропия ранней Вселенной — это не случайность, а следствие фундаментального принципа, ограничивающего количество информации, которое может содержать зарождающееся пространство-время. Таким образом, информационный подход не только переосмысливает время, но и предлагает свежий взгляд на самые тёмные тайны космоса, превращая Вселенную из пассивной сцены в активного, «помнящего» участника своей собственной эволюции.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий