Квантовая механика и стрела времени

Итак, в каком же состоянии находится проблема измерений и что это означает для стрелы времени? Грубо говоря, имеется два класса предложений, для того чтобы связать здравый смысл с квантовой реальностью. В первом классе (например, волновая функция как знание, многомировая интерпретация, декогеренция) нет ничего, кроме уравнения Шрёдингера; все предложения просто обеспечивают различные способы интерпретации того, что уравнение означает для физической реальности.

Во втором классе (например, Бом, Жирарди–Римини–Вебер) уравнение Шрёдингера должно быть дополнено другими уравнениями (в случае подхода Бома уравнением, которое показывает, как волновая функция направляет частицу в её движении) или должно быть модифицировано (в случае подхода Жирарди–Римини–Вебера путём включения нового явного механизма коллапса). Ключевой вопрос для определения того, как эти предложения влияют на стрелу времени, заключается в том, вводят ли они фундаментальную асимметрию между разными направлениями во времени. Вспомним, что уравнение Шрёдингера, равно как и уравнения Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, рассматривает прямое и обратное направления во времени совершенно одинаково. Это не обеспечивает стрелы для эволюции во времени. Меняют ли это положение какие-либо из предложений решения проблемы измерения?

В первом классе предложений шрёдингеровская система взглядов совсем не модифицируется, так что симметрия времени сохраняется. Во втором классе симметрия времени может уцелеть, а может и не уцелеть, в зависимости от деталей. Например, подход Бома, предложившего новое уравнение, трактует будущее и прошлое на равных основаниях, так что не вводит асимметрии. Однако предложение Жирарди–Римини–Вебера вводит механизм коллапса, который выделяет стрелу времени — «расколлапсирование», когда волновая функция изменяется от пикообразной формы, являющейся результатом коллапса, к распределённой форме без резких пиков, не удовлетворяя модифицированным уравнениям Шрёдингера. Так что, в зависимости от конкретного предложения, квантовая механика, вместе с решением загадки квантового измерения, либо трактует каждое направление времени одинаково, либо нет. Рассмотрим следствия каждой возможности.

Если симметрия времени сохраняется (я полагаю, так и будет), все обоснования и все заключения прошлой главы могут быть использованы с минимальными изменениями и для квантовой области. Суть той физики, которая инициировала наше обсуждение стрелы времени, заключалась в симметрии классической физики по отношению к обращению времени. В то время как язык и структура квантовой физики отличаются от классической физики — волновые функции вместо положений и скоростей; уравнение Шрёдингера вместо законов Ньютона, — симметрия по отношению к обращению времени всех квантовых уравнений гарантирует, что трактовка стрелы времени остаётся без изменений. Энтропия в квантовом мире может быть определена в основном так же, как в классической физике при условии, что мы описываем частицы в терминах их волновых функций. И вывод, что энтропия должна всегда возрастать, — как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, — всё ещё будет действителен.

Так что мы приходим к той же головоломке, с которой мы столкнулись в главе 6. Если мы принимаем наши наблюдения мира прямо сейчас как данные, как неоспоримо реальные, и если энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое, как мы объясним, что мир имеет вид, который он имеет, и как он будет в последующем разворачиваться во времени? Снова присутствуют те же две возможности: или всё, что мы видим, неожиданно появилось в результате статистической флуктуации, возникновение которой можно ожидать время от времени в вечной Вселенной, которая растрачивает впустую значительную часть своего времени, оставаясь полностью разупорядоченной, или по некоторым причинам энтропия была поразительно низкой сразу после Большого взрыва и поэтому последние 14 млрд лет всё могло медленно развиваться и продолжит развиваться в будущем. Как и в главе 6, чтобы избежать трясины неверия в память и в записи и в законы физики, мы выберем вторую альтернативу — низкоэнтропийный взрыв — и попытаемся найти объяснение, как и почему всё началось в таком особом состоянии.

Если, с другой стороны, симметрия времени потеряна (если решение проблемы измерения, которое однажды станет общепризнанным, покажет фундаментально асимметричное рассмотрение будущего по отношению к прошлому в квантовой механике), это легко может обеспечить самое прямое объяснение стрелы времени. Может оказаться, например, что яйца разбиваются, но не собираются обратно, потому что существует решение квантово-механических уравнений для разбивающегося яйца, а для собирающегося обратно — нет, в отличие от того, что мы имели с использованием законов классической физики. Тогда обратный просмотр фильма о разбивающемся яйце покажет движение, которое не может произойти в реальном мире, что и объяснит, почему мы никогда такого не видим.

Возможно. Но, хотя это и выглядело бы как существенно иное объяснение стрелы времени, на самом деле оно может оказаться не настолько иным, как кажется. Как мы подчёркивали в главе 6, чтобы страницы романа «Война и мир» становились всё более разупорядоченными, они должны сначала быть упорядоченными; яйцо, чтобы стать неупорядоченным, когда оно разбито, должно быть сначала упорядоченным, целым яйцом; энтропия, чтобы возрастать по направлению в будущее, должна быть низкой в прошлом, так что вещи должны иметь потенциал упорядоченности, чтобы стать неупорядоченными. Однако только то, что закон трактует прошлое и будущее по-разному, не даёт гарантии, что закон предсказывает прошлое с более низкой энтропией. Закон всё ещё может подразумевать увеличение энтропии в направлении прошлого (возможно, энтропия будет расти по направлению в прошлое и в будущее асимметрично), и даже возможно, что асимметричный во времени закон будет вовсе неспособен сказать что-либо о прошлом. Последнее верно для предложения Жирарди–Римини–Вебера, одного из существующих предложений, в которых нарушается симметрия времени. Когда предложенный ими механизм коллапса выполняет свой трюк, то нет способа отменить его — нет способа начать от сколлапсировавшей волновой функции и вернуть её к первоначальной форме. Точная форма волновой функции теряется в коллапсе (она превращается в узкий пик), так что невозможно только на основании этого пика реконструировать волновую функцию до коллапса.

Таким образом, хотя асимметричный во времени закон мог бы обеспечить частичное объяснение того, почему вещи разворачиваются в одном временно́м порядке и никогда в обратном, он может потребовать того же ключевого дополнения, которого требуют и симметричные во времени законы: объяснение того, почему энтропия была низкой в удалённом прошлом. Определённо, это верно для асимметричных во времени модификаций квантовой механики, которые были предложены до настоящего времени. Итак, если только какое-то будущее открытие не продемонстрирует две особенности, которые я рассматриваю как маловероятные, — асимметричное во времени решение проблемы квантовых измерений, которое бы дополнительно гарантировало, что энтропия уменьшается по направлению в прошлое, — наши усилия объяснить стрелу времени снова приведут нас к происхождению Вселенной, теме следующей части книги.

Как будет ясно из этих глав, анализ проблем космологии проходит через многие тайны и ведёт к самому сердцу пространства, времени и материи. Так что в путешествии по направлению к современным космологическим представлениям о стреле времени будет полезнее не нестись галопом вперёд, а скорее совершить обстоятельную прогулку по космической истории.