Шрёдингер, у нас проблемы. Почему время течет только вперед, даже если уравнениям все равно

Если бы законы физики работали так, как мы привыкли видеть в кино, то «Назад в будущее» был бы не фантазией, а инструкцией. Но в реальности время упрямо идёт только вперёд: яйцо не собирается обратно в скорлупу, возраст не «отматывается», а путешествия в прошлое остаются мечтой сценаристов. Китайские физики предлагают новое объяснение того, откуда берётся эта односторонность, причём прямо на уровне квантовой механики.

Физик Цай Цинъюй и его коллеги из Хайнаньского университета описали теоретическую схему, которая показывает: «стрела времени» может возникать сама по себе внутри замкнутой квантовой системы, без участия наблюдателя, измерений и внешних помех.

Проблема известна давно. Ещё Людвиг Больцман связывал направление времени с ростом энтропии: из упорядоченного состояния изолированные системы чаще переходят в более беспорядочное, чем наоборот. Но здесь же возникает неприятный парадокс. Базовые уравнения движения, от классической механики до уравнения Шрёдингера, формально обратимы по времени: если заменить t на минус t, математика не «сломается», и процесс можно описать как идущий назад.

Чтобы объяснить, почему в реальном мире обратного хода не наблюдается, многие подходы делали ставку на окружение. Когда квантовая система взаимодействует с внешней средой, хрупкие квантовые состояния разрушаются, возникает декогеренция, и в результате прошлое как будто становится недостижимым. Команда Цая пошла другим путём и рассмотрела идеальную картину: замкнутую систему, куда ничего не входит и откуда ничего не выходит.

Ключевая идея связана не с энтропией напрямую, а с корреляциями, то есть с тем, как части системы «обмениваются» информацией и становятся взаимосвязанными. Исследователи использовали меру корреляций, чтобы отслеживать, насколько сильно разные части замкнутой системы оказываются квантово связанными по мере её эволюции. И пришли к выводу: как только такие связи сформировались, «стереть» их универсальным образом нельзя.

В работе сформулирована математическая теорема типа no-go: не существует общей операции, которая могла бы для любой замкнутой квантовой системы полностью удалить возникшие корреляции и вернуть её к состоянию «как было». Отсюда следует важный вывод. Если корреляции внутри системы неизбежно нарастают и этот рост необратим, то внутри самой квантовой динамики появляется встроенная асимметрия, похожая на стрелу времени. Авторы утверждают, что это может быть недостающим внутренним механизмом, который затем проявляется на макроуровне как рост энтропии и другие необратимые процессы.

Внешнюю оценку работе дал теоретик Сун Чанпу, член Китайской академии наук, не участвовавший в исследовании. По его словам, предложенный подход помогает лучше понять связь квантовой и классической физики и затрагивает один из самых глубоких вопросов науки.

При этом сами авторы подчёркивают ограничения. Модель остаётся теоретической и опирается на идеализацию «полностью изолированной» системы, а в реальности таких почти не бывает. Кроме того, хотя рост корреляций красиво связывается с привычной необратимостью макромира, окончательный мост между квантовым механизмом и классической повседневностью ещё предстоит построить и проверить на более реалистичных сценариях.