Можно ли отправлять сообщения в прошлое?
Янгер Халперн специализируется в области физики, называемой «квантовая термодинамика», которая изучает принципы и законы, управляющие процессами в очень малых физических системах, где доминируют законы квантовой механики. Эксперименты, которые она проводила, основаны на идее, разработанной близким другом Альберта Эйнштейна известным математиком и логиком Куртом Гёделем. Гёдель сказал, что мы привыкли двигаться всегда вперёд по временной оси, но если мы произведём соответствующую деформацию пространства и времени, может образоваться круговой путь или «петля», и если пройти по ней, то можно в итоге вернуться в ту же точку, с которой мы начали. Он назвал это «закрытыми временными петлями».
«Научное сообщество всё ещё не знает, существуют ли в реальности такие петли, как те, что предложил Курт Гёдель. То, что мы знаем точно, это то, что мы можем создать [в лабораториях] их симуляции», — объясняет мне профессор Янгер Халперн.
Когда Гёдель говорил о временных петлях, он имел в виду относительно большие петли, которые позволяли бы людям перемещаться по ним, чтобы вернуться в предыдущий момент времени. То, о чём говорит профессор Янгер, — это нечто, что действует в гораздо меньших масштабах — то, что не «переместит» людей назад, а передаст сообщения в виде квантовых сигналов.
Представьте, что с помощью «временной петли» вы могли бы получить квантовое сообщение из будущего о препятствии, которое ожидает вас впереди. Это позволило бы вам аккуратно обойти его, избежать ненужного падения и связанных с этим болей. Такое квантовое сообщение из будущего могло бы предупредить вас о грядущей катастрофе, которая должна произойти в определённую дату, или уведомить систему о неисправности, которая вот-вот произойдёт, ещё до того, как она случится.
Долгое время физики смеялись над теоретической возможностью создания таких временных петель, главным образом потому, что это противоречило тому, как работает время в нашем обычном мире. Однако за последние три десятилетия разные физики предложили несколько решений. Одним из самых известных был Сет Ллойд (Lloyd), физик из Массачусетского технологического института (MIT), который в 2011 году опубликовал свои идеи о квантовых временных петлях (Quantum Time Loops).
Говорят, что после публикации Ллойд был буквально засыпан просьбами от людей, которые утверждали, что хотят путешествовать во времени, и просили его помощи. Ллойд ответил им с юмором, что если бы он мог вернуться назад во времени, возможно, он бы воздержался от публикации этих идей с самого начала, чтобы избежать всех этих беспокойств. Ллойд не вернулся в прошлое, но вместе с партнёрами показал, что квантовые временные петли могут быть возможными, и даже представил уравнения, которые демонстрируют, как, по крайней мере теоретически, в будущем может быть реализована такая связь с прошлым.
С тех пор как профессор Ллойд выдвинул свою идею в 2011 году, другие исследовательские группы продолжили развивать и совершенствовать её, однако всё это оставалось лишь теорией. Тем не менее вызов принял один из партнёров профессора Янгер Халперн, доктор Дэвид Арвидссон Шукур (Arvidsson Shukur) из Кембриджского университета в Великобритании, который занимается теорией измерений.
«Арвидссон Шукур предложил сотрудничать и исследовать потенциал ‘временных петель, после того как мы оба прочитали статью Ллойда и его партнёров и были ею впечатлены, — рассказывает профессор Янгер Халперн, — мы начали работать с целью понять, как можно создать такую систему».
На первом этапе, в 2023 году, они опубликовали теоретическую статью, которая представляла собой своего рода мысленный эксперимент. В статье был представлен сценарий, в котором «телепортация в прошлое», термин, использованный Ллойдом в его статье 2011 года, может помочь решить проблему, с которой сталкиваются исследователи в области квантовых измерений.
Чтобы объяснить свою идею, они привели аналогию с нашим повседневным миром.
«Представьте, что вы хотите отправить кому-то подарок. Чтобы он пришёл на третий день, вам нужно отправить его в первый день, но вы узнаёте, что именно хочет получатель, только на второй день. Теперь представьте, что вы можете заменить подарок, отправленный в первый день, используя информацию, которую вы получили во второй день. Наша симуляция использует манипуляции с квантовой запутанностью, чтобы показать, как можно изменить ретроспективно предыдущие действия, чтобы гарантировать желаемый результат».
Профессор Янгер Халперн и доктор Арвидссон Шукур являются теоретиками, и поэтому, чтобы провести свой эксперимент, они объединились с профессором Кейтром Марчем из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, в лаборатории которого проводятся многочисленные эксперименты в области квантовых измерений. Тот, кто посетит его лабораторию, увидит нечто, напоминающее маленький шкаф, к которому подключены различные провода. Внутри шкафа находятся чипы, на которых размещены контуры сверхпроводников, рассказывает профессор Янгер Халперн. Подобный эксперимент сейчас проводится в Университете Торонто, где оборудование включает и лазеры.
«Мы показали в этом эксперименте, что если у тебя есть две частицы, между которыми существует какая-то запутанность, и ты делаешь определённую манипуляцию с этой запутанностью, то ты можешь добиться результата, который математически точно соответствует ситуации, когда частица отправляется назад во времени. Мы не утверждаем, что знаем, как отправить частицу назад во времени, но мы можем смоделировать этот процесс на математическом уровне, то есть смоделировать временную петлю».
Квантовая запутанность
Ключ к созданию временных петель — это явление квантовой запутанности, о котором говорила профессор Янгер Халперн. Квантовая запутанность описывает состояние, в котором две частицы связаны между собой настолько тесно, что состояние одной полностью зависит от состояния другой. То есть невозможно описать состояние одной частицы, не учитывая состояние другой, и любое воздействие на одну из них немедленно влияет на другую, даже если они находятся на расстоянии световых лет друг от друга. Эйнштейн в 1930-х годах описал эти удалённые и мгновенные воздействия как «призрачное дальнодействие».
На основе квантовой запутанности в последние годы была разработана эффективная технология передачи информации, называемая «квантовая телепортация». Несмотря на захватывающее название, речь не идёт о телепортации, которую мы знаем, например, из телесериала «Звёздный путь», где люди мгновенно перемещаются с одного места на другое. В квантовой телепортации передаётся только информация.
Чтобы понять эту технологию, мы можем представить, что хотим передать информацию, выраженную в виде потока электронов, из квартиры в Тель-Авиве на спутник в космосе. Как мы это сделаем? На первом этапе мы переплетём (запутаем) две маленькие частицы, например, фотоны — одну разместим в Тель-Авиве, а другую на спутнике в космосе. Поскольку изменение состояния одного фотона немедленно влияет на изменение состояния другого фотона, то фотон в Тель-Авиве повлияет на фотон на спутнике. После этого, в грубой абстракции, мы приблизим поток электронов (нашу информацию) к запутанному фотону, находящемуся в Тель-Авиве, так, чтобы между ним и потоком электронов произошло взаимодействие и он подвергся его воздействию.
Это всё. Оказывается, что это воздействие немедленно передаётся и на запутанный фотон, находящийся на спутнике в космосе. Таким образом, мы фактически «переносим» информацию от потока электронов в Тель-Авиве на спутник в космосе и выполняем «квантовую телепортацию». Это технология, которая уже существует и принята — аналогичный эксперимент по телепортации между двумя фотонами, один из которых находился на Земле, а другой — на спутнике в космосе, был продемонстрирован китайскими учёными в 2017 году.
Тем не менее остаётся вопрос, требующий объяснения — как всё это связано с воздействиями на прошлое? Чтобы понять это, профессор Янгер Халперн предлагает представить две запутанных частицы, одна из которых (назовём её T1) отделена от другой и отправляется участвовать в каком-то эксперименте, то есть выполнять определённое действие, результат которого будет измерен. Если вернуться к аналогии с подарками, этот этап эксперимента соответствует дню «понедельник», когда мы отправляем кому-то подарок, который должен поступить позже, в день «среда» (тогда будет измерен результат).
Посередине процесса исследователи получают новую информацию, которая может повлиять и изменить конечные результаты измерения, то есть результаты эксперимента. В аналогии с подарками это день «вторник», когда мы понимаем, что тот, кто получает подарок, на самом деле хочет получить нечто другое в день «среда», когда подарок поступит к нему (в конце эксперимента). Проблема в том, что подарок был отправлен в день «понедельник», и мы не можем изменить его или конечный результат. Так ли это? Нет, это не так.
Исследователи идут к дополнительной частице (назовём её T2), которая запутана с частицей T1, участвующей в эксперименте, и проводят манипуляцию с ней. Поскольку частицы запутаны, любое изменение в частице T2 повлияет на состояние частицы T1. Таким образом, они могут заменить «подарок», отправленный в день «понедельник», с помощью информации, которую они получили в день «вторник», и изменить результат эксперимента, то есть подарок, который будет получен в день «среда», хотя эксперимент уже был начат.
Другими словами, исследователи смогли «вернуться в прошлое», чтобы изменить результат в будущем.
«На эффективном уровне здесь используется телепортация квантового состояния из будущего в прошлое. На самом деле это довольно похоже на нынешний протокол квантовой телепортации информации», — утверждает профессор Янгер Халперн.
В видео пресс-службы Университета Вашингтона, где команда исследователей объясняет ход эксперимента, они моделируют две запутанные частицы как одну частицу, чья временная ось искривляется: как только экспериментаторы проводят манипуляцию с частицей T2, она начинает двигаться назад во времени к этапу перед экспериментом, на котором происходит её запутывание с частицей T1. На этом этапе изменяется T1, и она начинает двигаться как обычно, от прошлого к будущему. Таким образом, объясняют они, математически достигается временная петля, вдоль которой движется интегрированная частица.
Двигаться назад во времени
Частица, которая движется назад во времени — это трудная для восприятия идея. Однако оказывается, что существуют два физических понятия, которые могут объяснить её: первое называется «блоковая Вселенная» и оно вытекает из общей теории относительности Эйнштейна.
В повседневной жизни мы привыкли, что наше время-пространство определяется тремя пространственными измерениями: длина, ширина и высота. В каждом из этих измерений мы можем свободно двигаться в любом направлении. Например, когда мы идём по улице, мы можем двигаться вперёд, назад, вправо или влево. Когда мы поднимаемся по лестнице, мы движемся вверх или вниз. Кроме трёх пространственных измерений, существует также измерение времени. Это особое измерение, поскольку мы всегда переживаем его как поток от прошлого к будущему, находясь всегда в настоящем моменте, в «сейчас».
Подход «блоковой Вселенной» предполагает, что-то, что мы воспринимаем как течение времени от прошлого через настоящее к будущему, на самом деле является иллюзией. На самом деле, каждый момент нашей жизни — прошлое, настоящее и будущее — существует одновременно во времени-пространстве. Это можно представить как книгу, в которой все страницы всегда существуют (и каждый момент истории), даже если мы читаем только одну страницу за раз. Причина, по которой мы переживаем время как последовательность, заключается в том, что наш мозг соединяет эти моменты линейно, и поэтому мы видим время как поток от прошлого к будущему, хотя все эти моменты уже существуют там, во времени-пространстве одновременно. Наше рождение находится где-то во времени, и наша смерть тоже.
К этому добавляется второе понятие, называемое «симметрией во времени». Согласно этой идее, на самом базовом уровне физики время не имеет определённого направления. То есть физические законы действуют одинаково как вперёд во времени, так и назад во времени. Представьте, что у вас есть видеозапись, на которой мяч катится по полу и останавливается. Если вы воспроизведёте видео наоборот, вы увидите, как мяч начинает с точки остановки и катится назад до тех пор, пока снова не остановится. Идея симметрии во времени заключается в том, что большинство физических законов не отличают движение вперёд во времени от движения назад во времени. Физические процессы могут происходить одинаково в обоих направлениях.
Эти идеи представил Эйнштейн в 1955 году в письме-соболезновании к семье своего близкого друга, Мишеля Бессо, чуть менее чем за месяц до своей смерти:
«Он ушёл из этого странного мира чуть раньше меня. Это ничего не значит. Для нас, верующих физиков, разница между прошлым, настоящим и будущим — только иллюзия, за которую мы упрямо держимся».
В итоге новые исследования профессора Янгер Халперн и доктора Арвидссона Шукура открывают окно к новому пониманию времени-пространства с помощью увлекательных понятий «временных петель» и квантовой телепортации. При этом они также поднимают глубокие философские и физические вопросы, такие как: сможем ли мы в будущем использовать такие технологии, чтобы предотвратить катастрофы или улучшить нашу жизнь?
На данный момент ясно, что результаты всё ещё находятся на теоретической стадии, и необходимы дальнейшие исследования. Так или иначе, нет сомнений, что это увлекательная область, и если в будущем произойдёт научный прорыв, он может повлиять на все сферы нашей жизни и изменить наше восприятие реальности вокруг нас.
Профессор Николь Янгер Халперн из Университета Мэриленда в США представила серию поразительных исследований, затрагивающих загадочную природу времени. В своей работе она изучает возможность передачи информации частицами назад во времени, несмотря на устоявшееся представление, что время движется лишь вперёд.
Янгер Халперн занимается квантовой термодинамикой — областью физики, исследующей законы, управляющие поведением мельчайших систем, где господствуют принципы квантовой механики. Её эксперименты вдохновлены идеями Курта Гёделя — выдающегося математика, друга Альберта Эйнштейна. Гёдель предложил концепцию так называемых «замкнутых временных петель». Согласно его гипотезе, при определённой деформации пространства и времени возможно создать петлю, позволяющую вернуться к исходной точке, словно путешествие по кругу.
«Существуют ли такие временные петли в реальности, науке пока неизвестно. Но мы можем смоделировать их в лабораторных условиях», — объясняет профессор Янгер Халперн.
Гёдель мыслил о больших временных петлях, теоретически пригодных для путешествия людей. Однако работа Янгер Халперн сосредоточена на куда меньших масштабах — передаче сообщений через квантовые сигналы. Например, такие сигналы из будущего могли бы предупредить об угрозе или помочь избежать катастрофы.
Долгое время научное сообщество считало временные петли невозможными из-за противоречия с привычными представлениями о времени. Однако за последние десятилетия физики, включая Сета Ллойда из MIT, предложили теоретические модели таких явлений. В 2011 году Ллойд разработал концепцию квантовых временных петель, представив уравнения, описывающие, как это может работать.
Эти идеи привлекли внимание профессора Янгер Халперн и её коллеги, доктора Дэвида Арвидссона Шукура из Кембриджского университета. Вместе они начали изучать возможность создания системы временных петель. В 2023 году команда опубликовала теоретическую работу, представляющую сценарий «квантовой телепортации в прошлое» для решения задач квантовых измерений. Аналогия из повседневной жизни помогает понять эту концепцию: представьте, что вы отправляете подарок, но узнаёте предпочтения получателя лишь спустя день. Квантовая запутанность позволяет изменить «подарок», уже отправленный ранее, чтобы он соответствовал новым данным.
Для проведения эксперимента исследователи объединились с профессором Кейтром Марчем из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, а также задействовали лабораторию Университета Торонто. Они обнаружили, что манипуляции с запутанными частицами позволяют добиться результатов, аналогичных перемещению во времени. На математическом уровне это создаёт замкнутую временную петлю.
Основой исследований Янгер Халперн служит явление квантовой запутанности. Оно описывает глубокую взаимосвязь между частицами: изменение одной мгновенно отражается на другой, даже если их разделяют световые годы. Этот эффект лежит в основе технологий квантовой телепортации, позволяющей мгновенно передавать информацию.
Например, чтобы передать данные из Тель-Авива на спутник, учёные запутывают два фотона. Изменение состояния одного фотона в Тель-Авиве немедленно передаётся его спутнику на орбите. Китайские учёные продемонстрировали такую квантовую телепортацию в 2017 году.
Временные петли в этом контексте предполагают, что изменение состояния запутанной частицы может повлиять на результат эксперимента, начатого в прошлом. Математически это моделирует «путешествие частицы назад во времени».
Такие идеи тесно связаны с концепциями «блоковой Вселенной» и симметрии времени. Первая предполагает, что прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно, как страницы в книге. Мы воспринимаем время линейно лишь благодаря устройству нашего сознания. Вторая — что физические законы одинаково работают в обоих направлениях времени. Эйнштейн описывал это в письме:
«Для нас, верующих физиков, различие между прошлым, настоящим и будущим — лишь иллюзия».
Работы профессора Янгер Халперн и её коллег открывают новые горизонты в понимании времени-пространства. Они поднимают фундаментальные вопросы: смогут ли такие технологии предотвратить катастрофы или улучшить качество жизни? Пока что исследования находятся на теоретическом этапе, но их потенциал обещает революцию в науке и изменит наше восприятие реальности.