Причуды отрицательного времени

В декабре 2021 года я опубликовал в этом блоге статью «Большой Взрыв и песочные часы или куда на самом деле течет время», собравшую несколько десятков комментариев и более 39 тысяч просмотров. В ней я коротко рассказал о том, какие математические и космологические модели допускают существование вселенной-близнеца, которая после Большого взрыва развивается по оси времени в противоположном направлении от нашей Вселенной. Теперь я вернусь к этой теме и расскажу, какое место в современной картине мира занимает феномен «антивремени», и как он связан с физической несимметричностью наблюдаемой Вселенной. Существует три наиболее явных аспекта такой несимметричности.

1. Время течёт только вперёд, но не назад, хотя и может измеримо замедляться вблизи от объектов с сильным гравитационным полем

2. Энтропия в закрытой системе не может убывать и, как правило, возрастает

3. Наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из обычной материи, но при этом (возможно) содержит целые облака тёмной материи, природа которой остаётся невыясненной. Также Вселенная содержит следовые количества антиматерии (антивещества). Антивещество было открыто в 1931 году (позитрон), а античастицы впервые получены в лаборатории в 1955 году в университете Беркли. В 1969 году в институте физики высоких энергий (ИВФЭ) в Протвино были впервые получены ядра антигелия и антитрития.

Напротив, математика описывает Вселенную как полностью симметричную. Если так и есть, и примерно половина мироздания (пока) не наблюдается, то можно было бы запустить в обратном направлении и время, и энтропию. Если бы можно было сделать «мгновенный снимок» положения частиц и обратить развитие этого положения в прошлое, то внешне это выглядело бы как самосборка разбитого стакана из осколков или превращение яичницы в несколько целых сырых яиц. Ничего подобного в природе не наблюдается, и мы не представляем, как запустить такие процессы в макромасштабе. Но интуиция подсказывает, что они были бы реальны в условиях антивремени, если бы Вселенная действительно была полностью симметрична:

Универсальная симметрия в физике частиц

Эти идеи не так умозрительны, как могут показаться, поскольку в микромире наблюдается строгая симметрия: каждой фундаментальной частице соответствует античастица, причём, заряды у частицы и античастицы противоположны. На квантовом уровне также наблюдается симметрия спина, по причине которой кварки бывают верхними и нижними.

Такая симметрия не только демонстрирует тесную связь между миром и антимиром, но и показывает, что микромир очень не похож на макромир. Вот основные пары частиц и античастиц:

С тех пор, как в начале 2016 года были обнаружены гравитационные волны, активизировались поиски гравитона, то есть, частицы-переносчика гравитационного взаимодействия. Возможно, именно гравитон – ключ к получению антигравитации, которая помогла бы объяснить природу тёмной энергии. Тёмная энергия – это сила, под действием которой Вселенная продолжает расширяться с ускорением. Тёмная энергия оказывает на обычную материю именно антигравитационное воздействие. Тем не менее, антивещество под действием силы тяжести падает вниз, точно, как и обычное вещество — это было продемонстрировано в эксперименте, поставленном осенью 2023 года в университете штата Индиана, Блумингтон.

Симметричность времени и Большой Взрыв

Поскольку по теории относительности Эйнштейна время является одним из четырёх измерений пространственно-временного континуума, возникает вопрос, может ли существовать отрицательное измерение времени наряду с положительным, либо время – это абстракция, при помощи которой наш мозг просто упорядочивает причинно-следственные связи между событиями. Ричард Фейнман, комментируя знаменитую книгу «Симметрия» немецкого математика Германа Вейля, говорил, что в физике объект считается симметричным, если над ним можно проделать определённую операцию, и после операции он будет выглядеть точно так же, как и до неё. По современным представлениям, такая дефиниция симметрии определённо неприменима ко времени, так как события всегда необратимо развиваются только от прошлого к будущему. Здесь прослеживается прямая связь между ходом времени и нарастанием энтропии, о чём подробно рассказано на Хабре в обзорной статье уважаемого @dionisdimetor. Иными словами, если мы сразу понимаем, в каком направлении разворачиваются происходящие перед нами события — в прямом или обратном — то время несимметрично.

Итак, мы живём во Вселенной, которая почти полностью состоит из вещества, но также содержит и минимальные количества антивещества. Физические законы симметрично действуют на вещество и на антивещество.

Остановлюсь на фундаментальной CPT-теореме, описывающей природу симметрии и инвариантности в физике. Эта теорема была сформулирована и доказана Людерсом и Паули в середине 1950-х годов.

Физическая суть CPT-теоремы заключается в том, что, если у нас есть квантовая теория поля, которая согласуется с теорией относительности, то в рамках этой теории должна проявляться CPT-симметрия. C, P и T — это три самостоятельных вида симметрии, имеющие фундаментальное значение в Стандартной Модели физики частиц:

• C-симметрия, в соответствии с которой все частицы можно заменить на античастицы,

• P-симметрия, согласно которой все частицы можно заменить их зеркальными отражениями,

• T-симметрия, согласно которой все законы физики должны действовать не только в прямом, но и в обратном направлении времени.

Здесь «С» означает «charge» (заряд), «P» означает «parity» (чётность) и «T» означает «time» (время). Но, как я указывал выше, в макромире Т-симметрия не наблюдается, так как нарушала бы второй закон термодинамики. Как в таком случае однонаправленная стрела времени возникла в момент Большого Взрыва?

Теория Большого Взрыва предполагает, что пространство-время и вся заключённая в них масса и энергия распространялись только в одном «временном направлении» — из прошлого в будущее. Симметрия времени в физике выражается в том, что все уравнения работают в обе стороны. Но в этом заключается ещё одно важное отличие пространства и времени: если пространство распространяется по трём осям во все стороны, то время остаётся линейным:

Если же допустить симметричность времени, это означает, что при Большом Взрыве должны были возникнуть две Вселенные, начинающиеся в одной точке, но распространяющиеся по оси времени в противоположных направлениях. При этом чётность и заряд частиц должны были остаться зеркальными, но общие истории двух этих вселенных существенно отличались бы из-за множества случайных факторов, которые должны хаотически меняться. Поэтому события в обеих вселенных развивались бы самостоятельно, наблюдатель не мог бы определить, что попал из одной вселенной в другую. Физические законы действовали бы одинаково, причинно-следственные связи бы не нарушались.

Здесь уместно вспомнить о диаграммах Фейнмана — это рисунки, наглядно демонстрирующие взаимодействия между элементарными частицами. Уважаемый @vgivanovнаписал на Хабре отличную вводную статью о диаграммах Фейнмана «Квантовая электродинамика в картинках». Вот как на диаграмме Фейнмана выглядит взаимодействие электрона с антиэлектроном (позитроном).

Мы видим вспышку (выделение фотона), частицы аннигилируют, но, в соответствии с этой диаграммой «с точки зрения электрона» позитрон перед актом взаимодействия двигался во времени вспять. «С точки зрения позитрона» ситуация зеркально противоположна, но взаимодействие всё равно происходит. Причинно-следственная связь не нарушается.   

Время как иллюзия

В таком случае, если по окончании такого взаимодействия на «часах» у частицы и античастицы прошло одинаковое количество времени, то эти периоды времени равны по модулю, и антивещество существует в антивремени.

Нам известно, что, когда время течёт из прошлого в будущее, Вселенная расширяется (с ускорением), а энтропия увеличивается. Соответственно, если при Большом Взрыве возникло и антивремя, то оно должно было послужить основой для антипространства, никак не связанного с нашим. Возможно, антипространство отличалось бы от нашего именно обратным действием второго закона термодинамики (энтропия постоянно уменьшается, а Вселенная схлопывается с ускорением). В таком случае ось антивремени исчезла бы в те самые «первые три минуты», о которых рассказывает знаменитая книга Стивена Вайнберга, и от второй Вселенной осталась бы только вспышка фотонов — результат аннигиляции. Но, если этого не произошло, и антивселенная в своём антивремени и с остальными антиизмерениями существует бок о бок с нашей, то её влияние могло бы сказываться в нашей, например, в виде волновых эффектов и квантовой запутанности.

Также нельзя исключать, что время полностью эмерджентно и даже иллюзорно. Такую концепцию развивает американский физик Шон Кэрролл в своих книгах «Вечность» и «Вселенная» — здесь выложена глава из второй книги, где в общих чертах описана связь между течением времени и нарастанием энтропии.

Ещё более радикальную точку зрения высказывает итало-американский физик Карло Ровелли, исследующий квантовую запутанность, причинно-следственные связи, популяризующий идею временных петлей, а также пытающийся сформулировать основы квантовой гравитации. Ровелли в принципе не склонен включать время в расчёты как значимую переменную, а предпочитает работать с дискретными квантами. Ровелли считает время одним из проявлений энтропии и утверждает, что «время не существует там, где отсутствует теплота». В таком случае, отсутствие или обратный ход времени можно было бы зафиксировать при взаимодействиях элементарных частиц или отдельных атомов.      

Когда время сбоит

Возможно, этот тезис удастся подтвердить или опровергнуть, если на субатомном уровне будут найдены такие взаимодействия, которые будут измеримо меняться в условиях отрицательного времени. Такие опыты позволили бы объяснить почти полное отсутствие антивещества в природе. Если бы какие-то силы обращали время вспять на уровне отдельных частиц, то у этих частиц возникал бы постоянный электрический дипольный момент (ЭДМ). В разных опытах электрический дипольный момент пытались обнаружить у нейтронов, атомов и молекул, но пока такие поиски успехом не увенчались.

При поисках EDM часто применяются высокоточные атомные часы, находящиеся в контролируемом магнитном поле (однородном во времени и стабильном во времени). В электрическом поле такие часы, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом, должны идти чуть быстрее или чуть медленнее контрольных. Электрический дипольный момент у атомов возникает в основном за счёт межатомных сил. Как правило, подобные опыты ставятся над атомами радия и ртути, поскольку для них хорошо известны пределы «нормальных» межатомных взаимодействий такого рода. Наиболее точно они в настоящий момент рассчитаны для атома ртути-199. Исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле сконструировали на его основы атомные часы, отстающие на секунду за 40 000 лет. Такие часы пока не показали отклонений в ходе времени, поэтому продолжаются поиски изотопа, который был бы чувствителен к внешним помехам ещё меньше, чем ртуть-199. В 2019 году коллаборация из Университета штата Мичиган, Массачусетского технологического института и Аргоннской национальной лаборатории (коллаборацию возглавляет профессор Джайдип Сингх из Мичиганского университета, работающий на знаменитой Фабрике редких изотопов). Учёные пытаются повторить опыт, применив вместо ртути редчайший изотоп радий-225, имеющий период полураспада около 14,9 суток. Ядро этого элемента имеет вытянутую грушевидную форму, поэтому повышает чувствительность вышеописанных атомных часов ещё в тысячу раз по сравнению с ртутной моделью. Аналогичную форму также имеет ядро протактиния-229 с периодом полураспада 1,4 суток – потенциально его чувствительность может быть даже выше, чем у радия. Тем не менее, к 2024 году первые признаки обратного хода времени удалось обнаружить не на уровне атомов, а на уровне фотонов, и добилась этого группа под руководством Даниэлы Ангульо из университета Торонто. По данным исследования, выложенного на сайте arxiv.org 5 сентября в качестве препринта, можно предположить, что фотоны могут проводить отрицательное время в облаке атомов охлаждённого газа, хотя, на сам эксперимент затрачивается ненулевое (положительное) время.   

Идея для данного эксперимента возникла в 2017 году, когда сотрудники университета Торонто Эфраим Стейнберг и его аспирант Джозайя Синклер изучали возбуждение атомов, пытаясь глубже понять принципы взаимодействия света и вещества. Когда фотоны пронизывают некую среду, электроны в атомах этой среды получают дополнительную энергию и переходят в своих атомах на более высокие энергетические уровни. Вновь возвращаясь в базовое состояние, атомы излучают избыточную энергию также в виде фотонов, и поэтому можно заметить задержку при прохождении света через такую среду.  

Синклер хотел измерить эту «групповую» задержку как можно точнее, причём, попробовать сделать это в среде настолько разреженной, что фотон, теоретически, мог бы пройти через неё, не задев ни одного атома. Для этого через три года была подготовлена установка, позволяющая пронизывать фотонами облако из атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, после чего можно было измерить степень возбуждения этих атомов. Эксперимент сразу привёл к странным результатам: в некоторых случаях фотоны явно проходили среду, не задев ни одного атома, но атомы рубидия выглядели возбуждёнными. Более того, в случаях, когда фотоны оказывались поглощены атомами рубидия, атомы переизлучали их практически мгновенно, ещё явно будучи в возбуждённом состоянии. В целом фотоны покидали атомы гораздо быстрее, чем были должны, поэтому канадские учёные вместе с австралийским коллегой Говардом Вайзманом из университета Гриффитса в Квинсленде разработали объяснение, согласно которому фотоны могли покидать атомы раньше, чем в них попадали — именно такой вывод можно сделать из того, что атомы задерживаются в возбуждённом состоянии дольше, чем должны. Более традиционное объяснение данного феномена может быть связано с корпускулярно-волновым дуализмом фотона. Поведение фотона описывается волновой функцией, и фотон является размытой сущностью, а не точкой в пространстве. Тем не менее, было бы интересно дождаться подробного разбора или опровержения этой гипотезы о проявлении отрицательности времени на уровне элементарных частиц. Но если фотон проводит в атоме меньше времени, чем требуется атому на переизлучение фотона и переход на более низкий энергетический уровень, то для наблюдателя ситуация выглядит так, как будто фотон проводит в атоме отрицательное количество времени.

Вопреки обыкновению оставлю эту статью без заключения и, возможно, допишу его, изучив комментарии моих читателей.