Квантовая механика помогла решить парадокс убитого дедушки

Физик Лоренцо Гавассино решил проблему самосогласованности систем на замкнутых времениподобных кривых при помощи квантово-механических принципов. Для этого он использовал дискретизацию энергетических уровней и термодинамическое поведение системы, показывая, что к концу цикла система автоматически возвращается в исходное состояние, стирая любые потенциальные временные парадоксы. Работа опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

Замкнутые времениподобные кривые — это гипотетические траектории в пространстве-времени, которые возвращаются в свою исходную точку, создавая теоретическую возможность путешествий во времени. Эта концепция тесно связана с релятивистской физикой и космологией, но долгое время оставалась спорной из-за потенциальных парадоксов, самый известный из которых, пожалуй, это парадокс убитого дедушки. Парадокс возникает в случае, если гипотетический путешественник во времени отправляется в прошлое и каким-либо образом предотвращает свое рождение, что, в свою очередь, должно помешать ему в будущем отправиться в прошлое (подробнее об этом можно почитать в материале «Убить дедушку и выжить»). До недавнего времени не существовало строгого квантово-механического объяснения, как системы на замкнутых времениподобных кривых могут быть самосогласованными, хотя ученые уже предлагали различные решения возникающих парадоксов. Однако последовательного решения, объединяющего квантово-механические принципы и термодинамику замкнутой системы, движущейся по замкнутой времениподобной кривой, до сих пор не существовало.

Физик Лоренцо Гавассино (Lorenzo Gavassino) из Университета Вандербильта изучил аналитически поведение конечных и замкнутых квантовых систем на замкнутых времениподобных кривых в пространстве-времени Гёделя. Используя теорему Вигнера и квантовую механическую интерпретацию унитарных преобразований, он показал, что энергетические уровни замкнутой системы (например, космического корабля) подвергаются спонтанной дискретизации из-за необходимости времени вернуться в исходную точку на замкнутой времениподобной кривой. Кроме того, ученый рассмотрел, как энтропия системы меняется в процессе движения вдоль такой кривой. Он показал, что на определенном участке кривой энтропия достигает максимума, после чего неизбежно снижается вплоть до возвращения системы в исходное состояние из-за необходимости самосогласованности системы при возвращении в исходную точку на замкнутой кривой. По словам физика, это согласуется с теоремой Пуанкаре о возврате, согласно которой в конечных гамильтоновых системах любое начальное состояние через достаточно большое время должно снова повториться.

В результате ученый пришел к выводу, что при прохождении замкнутой времениподобной кривой вся система возвращается к своему исходному состоянию, что делает невозможными ситуации, в которых могут возникать логические противоречия. Например, из-за того что все состояние системы должно оказаться идентично начальному при возвращении в исходную точку на замкнутой кривой, воспоминания наблюдателя внутри космического корабля, которые описываются физической структурой состоящей из атомов и электрохимических процессов в мозге, будут стираться.

В контексте парадокса убитого дедушки это приводит к ключевому выводу: в замкнутой конечной системе с унитарной эволюцией невозможно создать ситуацию, в которой изменения в прошлом приведут к противоречиям, таким как предотвращение собственного рождения. Согласно результатам Гавассино, память и события внутри замкнутой кривой вернутся в начальное состояние, что исключает возможность возникновения ретроактивных парадоксов.

Путешествия во времени любят и писатели-фантасты, и разработчики компьютерных игр. Например, о том, как устроена физика в игре Quantum Break, можно почитать в блоге Марата Хамадеева.