Возможность путешествия во времени оптическими методами опровергнута учеными из Гонконга. Впрочем еще остается гипотетическая возможность создания машины времени с помощью областей сверхгравитации, как у черных дыр или«кротовых нор».
Один из гипотетических способов путешествия во времени представляет собой движение со скоростью порядка скорости света, а то и превышающей ее. Несмотря на одно из фундаментальных утверждений теории относительности Эйнштейна, которое заключается в невозможности достигнуть скорости, большей, чем скорость света, за последние десять лет в научной среде развернулась дискуссия, суть которой сводится к тому, что одиночные фотоны могут являться«сверхсветовыми».
Доказательство существования таких фотонов означало бы теоретическую возможность путешествия во времени, так как эти фотоны нарушали бы принцип причинности.
Данный принцип в классической физике означает следующее: любое событие, произошедшее в момент времени t 1 , может повлиять на событие, произошедшее в момент времени t 2 , только при условии, что t 1 меньше t 2 . В теории относительности этот принцип сформулирован схожим образом, только в него еще добавляются условия, связанные с релятивистскими эффектами, из-за которых время зависит от выбранной системы отсчета.
Повод к возобновлению дискуссии о существовании«сверхсветовых» фотонов появился в январе 2010 года. Тогда в журнале Optic Express была опубликована статья американских ученых, о которой рассказывал отдел науки«Газеты.Ru». В своем эксперименте исследователи пропускали фотоны через стопку материалов различной природы.
Чередуя слои с высокими и низкими показателями преломления, ученые засекли, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.
Это явление авторы работы постарались объяснить с позиций корпускулярно-волновой природы света(ведь свет представляет собой и волну, и поток частиц-фотонов одновременно) без нарушения теории относительности, утверждая, что наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией. В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как фотон. Когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну - оптический предшественник-прекурсор(для наглядности можно сравнить оптический прекурсор с воздушной волной, которая возникает перед движущимся поездом).
Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину: то есть интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной слой - взброс воды. При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект«раннего прибытия» части фотонов. Но другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже обычного из-за возникновения интерференционных минимумов на картине. Для правильного детектирования скорости нужно регистрировать все фотоны, проходящие через слои, тогда усреднение даст обычную скорость света.
Чтобы подтвердить это объяснение, требовалось провести наблюдения единичного фотона и его оптического предшественника.
Соответствующий эксперимент поставила группа ученых, которую возглавил профессор Гонконгского университета наук и технологий(HKUST) Ду Чэнван.
В своем эксперименте исследователи создавали пару фотонов, после чего один из них направлялся в среду, состоящую из охлажденных до низких температур атомов рубидия. За счет создания эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности(где среда, поглощающая излучение, становится прозрачной, если к ней приложить соответствующее поле) Ду и коллеги успешно измерили скорости как самого фотона, так и его оптического прекурсора.«Наши результаты показывают, что принцип причинности выполняется для отдельных фотонов», - говорится в реферате статьи, опубликованной в Physical Review Letters.
Таким образом, данной работой была поставлена точка в научной дискуссии о том, могут ли быть отдельные«сверхсветовые» фотоны.
Помимо этого эксперимент гонконгских ученых важен для развития квантовой оптики, лучшего понимания механизма квантовых переходов и вообще некоторых принципов физики.
Ну а людям, мечтающим совершить путешествие во времени, отчаиваться не стоит.
Нарушение принципа причинности отдельными фотонами не являлось единственной гипотетической возможностью для создания машины времени.
Гипотеза о компьютерной симуляции нашей вселенной была выдвинута в 2003 году британским философом Ником Бостромом, но уже получила своих последователей в лице Нила Деграсс Тайсона и Илона Маска, которые высказались, что вероятность гипотезы равна почти 100%. В её основе лежит идея о том, что всё существующее в нашей вселенной является продуктом симуляции, наподобие экспериментов, проводимых машинами из трилогии «Матрица».
Теория симуляции
Теория полагает, что при наличии достаточного числа компьютеров, обладающих большой вычислительной мощностью, становится возможным симулировать детально весь мир, который будет настолько правдоподобным, что его обитатели будут обладать сознанием и интеллектом.
Опираясь на эти идеи, можно предположить: а что мешает нам уже жить в компьютерной симуляции? Может быть, более развитая цивилизация проводит подобный эксперимент, получив необходимые технологии, и весь наш мир является симуляцией?
Многие физики и метафизики уже создали убедительные аргументы в пользу идеи, ссылающиеся на различные математические и логические аномалии. Основываясь на этих аргументах, можно предположить существование космической компьютерной модели.
Математическое опровержение идеи
Однако, двое физиков из Оксфорда и Еврейского университета в Иерусалиме, Зохар Рингель и Дмитрий Коврижин, доказали невозможность существования подобной теории. Свои находки они опубликовали в журнале Science Advances.
Проведя моделирование квантовой системы, Рингель и Коврижин выяснили, что для симуляции всего нескольких квантовых частиц потребуются огромные вычислительные ресурсы, которые из-за природы квантовой физики будут возрастать экспоненциально с увеличением количества симулируемых квантов.
Для хранения матрицы, описывающей поведение 20 спинов квантовых частиц, потребуется терабайт ОЗУ. Экстраполировав эти данные всего на несколько сотен спинов, мы получим, что для создания компьютера с таким объёмом памяти потребуется больше атомов, чем их общее число во вселенной.
Другими словами, учитывая сложность квантового мира, который мы наблюдаем, можно доказать, что любая предложенная компьютерная симуляция вселенной потерпит неудачу.
А, может, всё-таки симуляция?
С другой стороны, продолжая философские рассуждения, человек быстро придёт к вопросу: «Возможно ли, что более развитые цивилизации специально вложили в симулятор эту сложность квантового мира, чтобы сбить нас с пути?» На это Дмитрий Коврижин отвечает:
Это интересный философский вопрос. Но он вне поля действия физики, поэтому я предпочёл бы его не комментировать.
Физики из Израиля и России продемонстрировали, что человечество не живет в матрице.
youtube.com
Специалисты попробовали смоделировать квантовую систему (двумерный газ с дробным квантовым эффектом Холла) классическими методами (в конечном итоге основанными на оперирующем действием классической механики интеграле Фейнмана).
По мере увеличения в моделировании числа частиц ученые обнаружили, что требуемые вычислительные ресурсы для выполнения имитации росли не линейно, а экспоненциально. В этом случае для хранения информации о нескольких сотнях электронов потребовалась бы память, построенная из большего числа атомов, чем содержится в наблюдаемой Вселенной.
«Это также показывает, что холловская проводимость действительно является квантовым эффектом, для которого не существует локального классического аналога», - сказал соавтор Зоар Рингел из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль).
Первая часть культовой трилогии «Матрица» вышла в прокат в 1999 году. Фильм удостоился четырех премий «Оскар», а также 28 различных наград и 36 номинаций. Фильм изображает будущее, в котором реальность, существующая для большинства людей, есть в действительности симуляция типа «мозг в колбе», созданная разумными машинами, чтобы подчинить и усмирить человеческое население, в то время как тепло и электрическая активность их тел используются машинами в качестве источника энергии.
Возможно ли в действительности существование движущегося физического объекта, имеющего нулевую энергию? С точки зрения здравого смысла такое невозможно, ведь само движение и является кинетической энергией. Такому, вполне очевидному физическому факту, бросило вызов понятие квантовых пространственно-временных кристаллов, которое было предложено в 2012 году ученым-физиком и Лауреатом Нобелевской премии Франком Вильчеком (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института. Эти пространственно-временные кристаллы представляют собой теоретические квантовые системы, которые совершают периодические колебания, находясь в стандартном состоянии, в самом низком энергетическом состоянии.
Идея создания квантового пространственно-временного кристалла оказалась настолько привлекательной, что группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли даже занялась подготовкой к созданию экспериментальной установки, в которой роль кристалла играли ионы кальция, пойманные в кольцевой ионной ловушке. Под воздействием чрезвычайно слабого магнитного поля ионы кальция должны были начать медленное вращение, находясь при этом в самом низком энергетическом состоянии. Теоретически, вращение такой системы может продолжаться бесконечно долго, даже после тепловой смерти Вселенной, ведь такая система не поглощает и не излучает энергию.
Но, как у любой экзотической физической теории, у теории пространственно-временных кристаллов, помимо приверженцев, имеются и ярые оппоненты. Одним из оппонентов этой теории является известный ученый-физик Патрик Бруно (Patrick Bruno), работающий в лаборатории European Synchrotron Radiation Facility, располагающейся в Гренобле, Франция. Бруно уже не раз указывал на некоторые «дырки» в теории пространственно-временных кристаллов, а не так давно он не оставил от этой теории камня на камне, создав собственную «теорию остановки», которая полностью исключает возможность бесконечного вращения широкого класса систем, находящихся в стандартном состоянии, которые могут быть названы пространственно-временными кристаллами.
Согласно теории Бруно у понятия пространственно-временных кристаллов есть два основных недостатка. Во-первых, вращающийся солитрон (единичный волновой импульс), который Вилкзек описывает в своей модели, находится не в стандартном, а в более высоком энергетическом состоянии. Во-вторых, система, которая совершает вращательное движение, пусть и находясь в стандартном состоянии, может излучать энергию в окружающее пространство в виде электромагнитных волн, что уже само по себе входит в противоречие с законом сохранения энергии.
В качестве основного аргумента своей теории, Бруно демонстрирует, что приведение в движение кольцевой системы из квантовых частиц вокруг кольца магнитной ловушки в любом случае увеличит энергию всей системы, переместив ее со стандартного на более высокое энергетическое состояние. Доказательством этому Бруно считает описание вращающихся систем, описанных в работах Нобелевского Лауреата Энтони Леггетта (Anthony Leggett), который изучал свойств вращающихся супержидкостей, жидкостей, имеющих бесконечный коэффициент текучести.
Бруно считает, что его первый аргумент не должен стать неожиданностью, так как теория, разработанная в 1964 году еще одним Нобелевским Лауреатом, Уолтером Коном (Walter Kohn), утверждает, что материалы-изоляторы совершенно нечувствительны к магнитным потокам и к их изменению. Так как квантовые пространственно-временные кристаллы смоделированы в виде кристаллов Вигнера, а кристаллы Вигнера, как известно, являются изоляторами, то магнитный поток и магнитное поле не смогут заставить вращаться систему пространственно-временного кристалла.
«Я считаю, что разработав свою "теорию остановки», я поставил точку над теорией возможности существования вращающихся пространственно-временных кристаллов. Мне жаль, что на эту, изначально неверную теорию было потрачено много моего времени и времени других ученых. У меня нет планов продолжать работы в этом направлении, но если кто-нибудь придумает альтернативные варианты, не входящие в противоречия с существующими теориями, я буду рад снова вернуться к этой теме" – пишет Бруно.
Один из гипотетических способов путешествия во времени представляет собой движение со скоростью порядка скорости света, а то и превышающей ее. Несмотря на одно из фундаментальных утверждений теории относительности Эйнштейна, которое заключается в невозможности достигнуть скорости, большей, чем скорость света, за последние десять лет в научной среде развернулась дискуссия, суть которой сводится к тому, что одиночные фотоны могут являться« сверхсветовыми».
Доказательство существования таких фотонов означало бы теоретическую возможность путешествия во времени, так как эти фотоны нарушали бы принцип причинности.
Данный принцип в классической физике означает следующее: любое событие, произошедшее в момент времени t 1 , может повлиять на событие, произошедшее в момент времени t 2 , только при условии, что t 1 меньше t 2 . В теории относительности этот принцип сформулирован схожим образом, только в него еще добавляются условия, связанные с релятивистскими эффектами, из-за которых время зависит от выбранной системы отсчета.
Повод к возобновлению дискуссии о существовании« сверхсветовых» фотонов появился в январе 2010 года. Тогда в журнале Optic Express была опубликована статья американских ученых, о которой рассказывал отдел науки« Газеты.Ru». В своем эксперименте исследователи пропускали фотоны через стопку материалов различной природы.
Чередуя слои с высокими и низкими показателями преломления, ученые засекли, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.
Это явление авторы работы постарались объяснить с позиций корпускулярно-волновой природы света(ведь свет представляет собой и волну, и поток частиц-фотонов одновременно) без нарушения теории относительности, утверждая, что наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией. В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как фотон. Когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну – оптический предшественник-прекурсор(для наглядности можно сравнить оптический прекурсор с воздушной волной, которая возникает перед движущимся поездом). Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину: то есть интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной слой – взброс воды. При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект« раннего прибытия» части фотонов. Но другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже обычного из-за возникновения интерференционных минимумов на картине. Для правильного детектирования скорости нужно регистрировать все фотоны, проходящие через слои, тогда усреднение даст обычную скорость света.
Чтобы подтвердить это объяснение, требовалось провести наблюдения единичного фотона и его оптического предшественника.
Соответствующий эксперимент поставила группа ученых, которую возглавил профессор Гонконгского университета наук и технологий(HKUST) Ду Чэнван.
В своем эксперименте исследователи создавали пару фотонов, после чего один из них направлялся в среду, состоящую из охлажденных до низких температур атомов рубидия. За счет создания эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности(где среда, поглощающая излучение, становится прозрачной, если к ней приложить соответствующее поле) Ду и коллеги успешно измерили скорости как самого фотона, так и его оптического прекурсора.« Наши результаты показывают, что принцип причинности выполняется для отдельных фотонов», – говорится в реферате статьи, опубликованной в Physical Review Letters .
Таким образом, данной работой была поставлена точка в научной дискуссии о том, могут ли быть отдельные« сверхсветовые» фотоны.
Помимо этого эксперимент гонконгских ученых важен для развития квантовой оптики, лучшего понимания механизма квантовых переходов и вообще некоторых принципов физики.
Ну а людям, мечтающим совершить путешествие во времени, отчаиваться не стоит.
Нарушение принципа причинности отдельными фотонами не являлось единственной гипотетической возможностью для создания машины времени.
В интервью Toronto Star Ду Чэнван заявил:« Путешествие во времени на основе фотонов или оптических методов невозможно, но мы не можем исключать другие возможности, такие как черные дыры или «кротовые норы» .