Физики утверждают, что время можно ускорить, замедлить и обернуть вспять. Как это работает?

Природа времени

Наряду с квантовой запутанностью и квантовой телепортацией, путешествия во времени являются едва ли не самой интересной областью исследований современной физики.

Недавно ученые из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук, а также Венского университета в очередной раз подтвердили, что искривление времени воспринимается куда более реалистично, если пытаться разглядеть его в поведении субатомных частиц.

Новое теоретическое исследование, результаты которого опубликовали в Physical Review X, Quantum, Arxiv, Physical Review Letters, Optica и других научных журналах гласит, что можно «ускорять, замедлять и обращать вспять течение времени в произвольных, даже неконтролируемых квантовых системах».

«В кинотеатре классической физики фильм проецируется от начала до конца, вне зависимости от того, что хочет зритель. Но в квантовом мире у нас есть пульт дистанционного управления для контроля времени фильма. Мы можем перемотать на предыдущую сцену или пропустить несколько сцен вперед», 一 заявил Мигель Наваскуэс из IQOQI.

Вместе с соотечественником Давидом Трилло и коллегой из Австрии Филипом Вальтером команда Наваскуэса разработала «протокол перемотки» и «квантовый переключатель», благодаря которым любую частицу 一 электрону, протону, мюону и т. д. 一 можно вернуть в предыдущее состояние.

Ученые заявляют о первом экспериментальном доказательстве такой возможности посредством изменения состояни фотона. «Это был один из самых сложных экспериментов, которые мы когда-либо проводили для одного фотона. Частицы могут вернуться в состояние, о котором вы ничего не знаете. Вы можете запустить это состояние, ничего не зная о системе, ее внутренней динамике или даже деталях взаимодействия между системой и экспериментатором», 一 рассказал Вальтер.

По словам авторов исследования, их открытие основано на мысленном эксперименте Эйнштейна, согласно которому один из близнецов, который останется на Земле, состарится больше, чем тот, который полетит в космос и вернется обратно на достаточно высокой скорости. Этот эффект также называют замедлением времени.

Последствия замедления времени можно наблюдать только на мельчайших отрезках времени. А для значительного сокращения времени по отношению к одному из двух объектов нужно использовать огромное количество энергии или близость к черной дыре.

Специалисты из Австрии и Испании доказывают, что эти ограничения исчезают «в области нерелятивистской квантовой механики». Ученые продемонстрировали, что их универсальный механизм воздействует на мельчайшие частицы и переводит их в состояние, в котором они были до начала эксперимента.

Механизм оказался успешен во всех случаях кроме те, когда частицы были полностью невидимыми для экспериментальной установки. Изменение состояния также было доступно только для тех частиц, которые хранят один бит информации.

Главный вопрос 一 можно ли масштабировать этот эксперимент? «Если бы мы могли запереть человека в коробке с нулевым внешним воздействием, это было бы теоретически возможно. Но с нашими доступными в настоящее время протоколами вероятность успеха будет очень и очень низкой. Кроме того, время, необходимое для завершения процесса, зависит от объема информации, которую может хранить система. Человек 一 это физическая система, содержащая огромное количество информации. Потребуются миллионы лет, чтобы омолодить человека менее чем за секунду, так что в этом нет смысла», 一 объяснили физики.

Очевидно, новое открытие не является изобретением машины времени. Но оно доказывает, что мельчайшие частицы с минимальным количеством информации можно «омолодить» или «состарить» с помощью внешнего воздействия на них.

С практической точки зрения этот эксперимент может позволить устранять ошибки в квантовых компьютерах. Но для этого нужно повторить его в более сложных системах.

Временные кристаллы

Предыдущим важным достижением в этой области стало создание новой формы материи, которая может менять и возвращать свое предыдущее состояние. Этой материей являются кристаллы времени.

Их существование предсказал в 2012 году лауреат Нобелевской премии из Массачусетского технологического университета Франк Вильчек. А в середине 2021-го в лабораториях квантовых вычислений Google заявили о создании настоящего кристалла времени.

Кристаллы времени нарушают основной закон сохранения энергии, поскольку они могут менять свое состояние без использования какой-либо энергии.

Если представить такой кристалл в виде куска льда 一 он самостоятельно может превращаться в воду, а затем 一 обратно в лед.

«Нам удалось использовать универсальность квантового компьютера для анализа его собственных ограничений. Фактически, он сам подсказывал нам, как исправить ошибки, чтобы мы могли установить отпечаток идеального временнекристаллического поведения на основе наблюдений за определенное время», — заявлял директор Института физики сложных систем Общества Макса Планка и один из соавторов исследования Родерих Месснер.

Ученые также разработали программу для проверки более миллиона состояний кристалла времени, которая проходила приблизительно за миллисекунду времени благодаря возможностям квантового процессорам.

После ряда различных наблюдений за кристаллом исследователи подтвердили, что он всегда демонстрирует разную структуру. Открытие не только позволяет глубже исследовать природу времени, но и приближает нас к созданию эффективного квантового компьютера.