Стрела времени: новое понимание причинности и свободного выбора

Физики-теоретики из Université libre de Bruxelles разработали полностью симметричную формулировку квантовой теории, которая устанавливает точную связь между асимметрией и то, что мы можем помнить прошлое, но не будущее.

Законы классической механики не зависят от направления времени, но верно ли то же самое и в квантовой механике было предметом дискуссий. Хотя имеется согласие, что законы, которые управляют изолированными квантовыми системами, симметричны относительно времени, измерение меняет состояние системы в соответствии с правилами, которые предписывают движение во времени только вперед, и существует разница во мнениях о толковании этого эффекта.

Теперь физики-теоретики из Université libre de Bruxelles (ULB) разработали полностью симметричную относительно времени формулировку квантовой теории, которая устанавливает точную связь между этой асимметрией и тем, что мы можем помнить прошлое, но не будущее, явление, которое астрофизик Стивен Хокинг назвал «психологической» стрелой времени.

Исследование предлагает новые идеи в концепции свободного выбора и причинности, и предполагает, что причинно-следственную связь не обязательно считать фундаментальным принципом физики. Это также расширяет теорему Евгения Вигнера в квантовой механике, указывая на новые направления в поисках физики за рамками известных моделей. Выводы Огняна Орешкова (Ognyan Oreshkov) и Николаса Серфа (Nicolas Cerf) были опубликованы в журнале Nature Physics.

Идея, что наш выбор в настоящем может повлиять на события в будущем, но не в прошлом, отражается в правилах стандартной квантовой теории в принципе, который теоретики называют «причинность».

Для того чтобы понять этот принцип, авторы нового исследования проанализировали, что на самом деле означает концепция выбора в контексте квантовой теории. Например, мы считаем, что экспериментатор может выбрать какое измерение выполнить на данной системе, но не может повлиять на результат измерения. Соответственно, согласно принципу причинности, выбор измерения может быть соотнесен с результатами измерения только в будущем, в то время как результат измерения может коррелировать с результатами как прошлых, так и будущих измерений. Исследователи утверждают, что определяющим свойством, согласно которому мы интерпретируем переменную, описывающую измерение, как до выбора экспериментатора, в то время как результат еще не известен, является то, что она может быть известна до того, как происходит фактическое измерение.

С этой точки зрения, принцип причинности можно понимать как ограничение на доступную информацию о различных переменных в разное время. Это ограничение не симметрично относительно времени, так как выбор измерения и результат измерения могут быть известными постфактум. Это, по данным исследования, является сущностью асимметрии, явно не выраженной в стандартной формулировке квантовой теории.

«Квантовая теория была сформулирована на основе асимметричных концепций, отражающих тот факт, что мы можем знать прошлое и заинтересованы в предсказании будущего. Но понятие вероятности не зависит от времени, и, с точки зрения физики, имеет смысл попытаться сформулировать теорию в фундаментально симметричных терминах», - сказал Орешков, ведущий автор исследования. Для этого, авторы предлагают принять новое понятие измерения, которое не определяется только на основе переменных в прошлом, но может зависеть от переменных в будущем. «В подходе, который мы предлагаем, измерения не интерпретируются как до «свободы выбора» агентов, а просто описывают информацию о возможных событиях в различных областях пространства-времени», - пояснил Николас Серф, соавтор исследования и директор Центра по квантовой информации и связи в ULB.

В формулировке квантовой теории симметричной во времени, которая следует из этого подхода, показано, что принцип причинности и психологическая стрела времени возникают из того, что физики называют граничными условиями – параметры, на основании которых теория делает предсказания, но чьи значения, в принципе, могут быть произвольными. Так, например, в соответствии с новой формулировкой, можно предположить, что в некоторых частях Вселенной принцип причинности может быть нарушен.

Другим следствием симметричной во времени формулировки является расширение основной теоремы Вигнера, которая характеризует математическое представление физических симметрий и является центральной для понимания многих явлений, таких как возможность существования элементарных частиц. Исследование показывает, что в новой формулировке симметрии могут быть представлены способом, который не разрешен стандартной формулировкой, что может иметь далеко идущие физические следствия. Одной спекулятивной возможностью является та, что такие симметрии могут быть актуальны в теории квантовой гравитации, так как они имеют вид преобразований, которые, по предположению, могут происходить в присутствии черных дыр.

«Наша работа показывает, что если мы считаем, что симметрия времени должна быть фундаментальным свойством законов физики, мы должны рассмотреть возможность явлений помимо тех, которые возможны в стандартной квантовой теории. Существуют ли такие явления, и где мы могли бы их обнаружить, это большой открытый вопрос», - объяснил Орешков.

Почему мы помним прошлое, но не будущее?

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365