Фізики стверджують, що час можна прискорити, сповільнити та повернути назад. Як це працює?

Природа часу

Разом із квантовою заплутаністю та квантовою телепортацією, подорожі у часі є чи не найцікавішою галуззю досліджень сучасної фізики.

Нещодавно вчені з Інституту квантової оптики та квантової інформації (IQOQI) Австрійської академії наук, а також Віденського університету вкотре підтвердили, що викривлення часу сприймається набагато реалістичніше, якщо намагатися розглянути його у поведінці субатомних частинок.

Нове теоретичне дослідження, результати якого опублікували у Physical Review X, Quantum, Archiv, Physical Review Letters, Optica та інших наукових журналах свідчить, що можна "прискорювати, уповільнювати і повертати назад час у довільних, навіть неконтрольованих квантових системах".

«У кінотеатрі класичної фізики фільм проектується від початку до кінця, незалежно від того, що хоче глядач. Але у квантовому світі ми маємо пульт дистанційного керування для контролю часу фільму. Ми можемо перемотати на попередню сцену або пропустити кілька сцен уперед», 一 сказав Мігель Наваскуес з IQOQI.

Разом із співвітчизником Давидом Трілло та колегою з Австрії Філіпом Вальтером команда Наваскуеса розробила "протокол перемотування" і "квантовий перемикач", завдяки яким будь-яку частинку 一 електрон, протон, мюону і т. д. 一 можна повернути в попередній стан.

Вчені заявляють про перший експериментальний доказ такої можливості через зміну стану фотона. «Це був один із найскладніших експериментів, які ми колись проводили для одного фотона. Частинки можуть повернутись у стан, про який ви нічого не знаєте. Ви можете запустити цей стан, нічого не знаючи про систему, її внутрішню динаміку або навіть деталі взаємодії між системою та експериментатором», 一 сказав Вальтер.

За словами авторів дослідження, їхнє відкриття засноване на уявному експерименті Ейнштейна, згідно з яким один із близнюків, який залишиться на Землі, постаріє більше, ніж той, який полетить у космос і повернеться назад на доволі високій швидкості. Цей ефект також називають уповільненням часу.

Наслідки уповільнення часу можна спостерігати лише на найдрібніших відрізках часу. А для значного скорочення часу до одного з двох об'єктів потрібно задіяти величезну кількість енергії або близькість до чорної діри.

Фахівці з Австрії та Іспанії доводять, що ці обмеження зникають «у галузі нерелятивістської квантової механіки». Вчені продемонстрували, що їхній універсальний механізм впливає на дрібні частки і переводить їх у стан, в якому вони були до початку експерименту.

Механізм виявився успішним у всіх випадках крім тих, коли частинки були повністю невидимими для експериментальної установки. Зміна стану також була доступна лише для тих частинок, які зберігають один біт інформації.

Головне питання 一 чи можна масштабувати цей експеримент? «Якби ми могли замкнути людину в коробці з нульовим зовнішнім впливом, це було б теоретично можливим. Але з нашими доступними протоколами ймовірність успіху буде дуже і дуже низькою. Крім того, час, необхідний для завершення процесу, залежить від обсягу інформації, яку може зберігати система. Людина 一  це фізична система, що містить величезну кількість інформації. Потрібні мільйони років, щоб омолодити людину менш ніж за секунду, тому в цьому немає сенсу», 一 пояснили фізики.

Очевидно, що нове відкриття не є винаходом машини часу. Але воно доводить, що найдрібніші частинки з мінімальною кількістю інформації можна «омолодити» або «зістарити» за допомогою зовнішнього впливу на них.

З практичної точки зору цей експеримент може дозволити усувати помилки у квантових комп'ютерах. Але для цього треба повторити його у складніших системах.

Часові кристали

Попереднім важливим досягненням у цій галузі стало створення нової форми матерії, яка може змінювати та повертати свій попередній стан. Цією матерією є кристали часу.

Їхнє існування передбачив у 2012 році лауреат Нобелівської премії з Массачусетського технологічного університету Франк Вільчек. А у середині 2021-го у лабораторіях квантових обчислень Google заявили про створення справжнього кристала часу.

Кристали часу порушують основний закон збереження енергії, оскільки можуть змінювати свій стан без використання будь-якої енергії.

Якщо уявити такий кристал у вигляді шматка льоду 一 він самостійно може перетворюватися на воду, а потім 一 назад у лід.

“Нам вдалося використати універсальність квантового комп'ютера для аналізу його власних обмежень. Фактично, він сам підказував нам, як виправити помилки, щоб ми могли встановити відбиток ідеальної часово-кристалічної поведінки на основі спостережень за певний час», — заявляв директор Інституту фізики складних систем Товариства Макса Планка та один із співавторів дослідження Родеріх Месснер.

Вчені також розробили програму для перевірки понад мільйона станів кристала часу, яка проходила приблизно за мілісекунду часу завдяки можливостям квантового процесора.

Після різних спостережень за кристалом дослідники підтвердили, що він завжди демонструє різну структуру. Відкриття не лише дозволяє глибше досліджувати природу часу, а й наближає нас до створення ефективного квантового комп'ютера.