В съвременната теоретична физика съществува значителна асиметрия в начина, по който учените третират пространството и времето. Когато на изследователите не им достигат съществуващите закони за обяснение на микросвета или гравитацията, те без колебание увеличават броя на пространствените измерения. Например, в теорията на струните пространството има девет или десет измерения вместо обичайните три. Излишните пространствени координати математически се свиват до микроскопични мащаби, което позволява на уравненията да функционират без вътрешни противоречия.
Въпреки това по отношение на времето физиците в продължение на десетилетия поддържаха строг консерватизъм. В фундаменталните уравнения времето винаги се представя като едномерна величина, непрекъсната числова права, по която системата преминава от миналото през настоящето към бъдещето. Опитите да се добави към тази права втора времева ос дълго време се считаха за антинаучни, тъй като подобна промяна разрушава основната логика на физичните закони.
Въпреки това кризата на границата между квантовата механика и общата теория на относителността накара учените да преразгледат тази забрана. Изследванията показват, че правилно въведеното второ измерение на времето може да разреши два фундаментални проблема: парадокса на сингулярността в черните дупки и проблема с нелокалността при квантовата заплетеност.
Двуизмерното време и геометрията на Вселената, абстрактна интерпретация
Защо класическата физика изключва многоизмерното време
За да се разбере защо физиците избягват въвеждането на допълнително време, е необходимо да се обърнем към специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн. В нея пространството и времето са обединени в четириизмерно континуум. Основният закон на тази система е постоянството на скоростта на светлината във вакуум за всички наблюдатели, независимо от скоростта на тяхното движение.
За да се спази този закон, пространството и времето трябва да бъдат строго свързани: ако физическият обект увеличи скоростта на движението си в пространството, скоростта на неговото придвижване по времевата координата спрямо външен наблюдател намалява. Тази взаимовръзка поддържа баланса на уравненията.Ако към тези уравнения се добави втора времева координата без допълнителни ограничения, математическият модел започва да дава абсурдни резултата:
Отрицателни вероятности и енергии. В квантовата теория сумата от вероятностите на всички възможни изходи на всяко събитие винаги е строго равна на единица (или 100%). При появата на второ времево направление формулите започват да дават отрицателни стойности на вероятностите, тоест величини, по-малки от нула, които нямат физически смисъл. Едновременно с това уравненията допускат съществуването на състояния с отрицателна енергия, които нямат долна граница. Това означава, че физическият вакуум в подобен модел трябва незабавно да се разпадне. Разрушаване на причинно-следствените връзки. Наличието на единствена времева ос гарантира, че причината винаги предшества следствието. Ако времето стане двумерно, то се превръща от линия в равнина. На равнината между две точки могат да се прокарат безкрайно много траектории. В резултат на това възникват затворени времеви пътища. Събитието може да повлияе на самото себе си или да се случи преди процеса, който го е предизвикал. При такива условия е невъзможно да се предскаже поведението дори на най-простата механична система, да не говорим за съществуването на стабилна биологична материя.Поради тези два фактора всякакви опити за въвеждане на многомерно време бяха отхвърляни от научната общност като нефизични.
Подходът на Ицхак Барс: симетрия на положението и движението
Ситуацията се промени благодарение на работата на физика-теоретик Ицхак Барс от Университета на Южна Калифорния. В края на 90-те години на миналия век той предложи математически подход, наречен „двувремева физика“ (2T physics), който позволи използването на второ измерение на времето, без да се нарушават законите на причинността.
Барс обърна внимание на една фундаментална особеност на квантовата механика, известна като принципът на неопределеността на Хайзенберг. В квантовия свят всеки обект се характеризира с две основни величини: неговото положение в пространството (координата) и количеството на движението (импулс). Съгласно квантовите закони физикът не може едновременно да измери и двете величини с абсолютна точност. Колкото по-точно е фиксирана координатата на частицата, толкова по-размита става стойността на нейния импулс, и обратно.
В стандартните уравнения координатата и импулсът са математически неравностойни: физиците описват еволюцията на координатите във времето, като използват импулса като спомагателна производна величина. Барс изказа хипотезата, че координатата и импулсът всъщност са абсолютно равностойни и взаимозаменяеми на фундаментално ниво. Уравненията на Вселената трябва да останат непроменени, ако координатата и импулсът формално си разменят местата.
Когато Барс пренаписа уравненията на механиката, като взе предвид тази строга симетрия, математическият апарат наложи разширяване на пространство-времето. За да функционира системата без противоречия, тя се нуждаеше точно от шест измерения: четири пространствени и две времеви.
Основното постижение на Барс се състои в това, как неговият модел предпазва физическия свят от парадокси:
Шестимерното пространство в неговата теория не е област, в която наблюдателят може свободно да се движи. Излишните координати са проява на вътрешната симетрия на уравненията (във физиката такива свойства се наричат калибрационна инвариантност).
Веднага щом физикът избере начин за описание на системата, например реши да измерва координатите на частиците, а не техните импулси, тази симетрия математически елиминира точно едно измерение на пространството и точно едно измерение на времето. В резултат на изчисленията уравненията автоматично се редуцират до познатото четириизмерно пространство-време с три пространствени оси и една времева ос.
В наблюдаваната реалност стандартната причинност се възстановява напълно, отрицателните вероятности изчезват, а събитията отново се подреждат в строги вериги от миналото към бъдещето. При това зад кулисите на уравненията се запазва шестизмерна структура, която дава на физиците нови възможности за изчисления там, където класическите теории стигат до задънена улица.
Практическата стойност на двувремевата модел се прояви, когато Барс и колегите му я приложиха към екстремни области на космоса, където стандартната теория на гравитацията престава да работи.
Основният недостатък на общата теория на относителността на Айнщайн се състои в неизбежното възникване на сингулярности. Сингулярността е точка в пространство-времето (например в центъра на черна дупка или в момента на Големия взрив), където плътността на материята и изкривяването на пространството се стреми към математическа безкрайност.
В тази точка уравненията губят смисъл, престават да дават проверими прогнози, а траекториите на движение на частиците просто се прекъсват. Физиците отдавна признават, че сингулярността е признак за непълнотата на нашите познания за гравитацията.
През 2013 г. Барс, заедно с космолозите Пол Стейнхардт от Принстънския университет и Нийл Тюрок от Единбургския университет, приложи математическия апарат на двете времена към сценария за колапса на Вселената (Голямото свиване).Моделът показва неочаквана закономерност: величините, които в четириизмерния свят се считат за неизменни фундаментални константи (например, масите на елементарните частици и величината на гравитационното взаимодействие), в шестизмерната координатна система се оказват динамични променливи.
С приближаването на Вселената към изчислената точка на сингулярността масата на частиците спада до нула, а гравитационните сили достигат критични стойности. Но вместо безкрайно свиване към сингулярността уравненията показват фазов преход: гравитационното взаимодействие променя математическия си знак. Силата на привличане за кратък период се превръща в сила на отблъскване. В резултат на това материята не се унищожава, а се отблъсква от самата себе си, преминавайки в нов етап на разширяване. Вселената преминава покрай сингулярността, без да се образуват безкрайности.
В класическата физика всяка частица, преминала хоризонта на събитията, неизбежно пада в централната сингулярност и изчезва от уравненията. В шестимерната формулировка на Барс сингулярността престава да бъде непреодолима преграда. Траекторията на частицата непрекъснато продължава през точката с екстремна плътност и излиза в друга област на пространство-времето, разположена зад нея. В тази вътрешна зона гравитацията също така променя знака си от привличане към отблъскване.
Това решение пряко премахва известния информационен парадокс на черните дупки, формулиран от Стивън Хокинг през 70-те години. Квантовата механика строго изисква информацията за квантовото състояние на материята никога да не се унищожава безследно. Хокинг обаче доказа, че черните дупки бавно се изпаряват чрез топлинно излъчване, като при това излъчването не носи информация за обектите, паднали вътре. Ако черната дупка се изпари напълно, информацията ще изчезне, което нарушава квантовите закони.
В модела на двете времена информацията не се унищожава, защото материята не се разрушава в сингулярността. Тя преминава през центъра на черната дупка и излиза в антигравитационна област, запазвайки всички квантови характеристики. Противоречието между теорията на относителността и квантовата механика в тази точка се преодолява.
Квантовата заплетеност и скритата времева ос
Ако в модела на Ицхак Барс второто време се явява по-скоро като спомагателен математически инструмент, то физикът Марко Петтини от Университета Екс-Марсилия предложи хипотеза, в която втората времева координата притежава непосредствена физическа реалност. Петтини приложи тази идея към квантовата заплетеност.
Същността на квантовата заплетеност се състои в следното: две частици могат да се намират в общо квантово състояние, при което свойствата на едната частица са строго свързани със свойствата на другата. Ако тези частици бъдат раздалечени на разстояние от хиляди светлинни години и се измери състоянието на първата от тях, състоянието на втората ще се определи в същия миг.
Този феномен противоречи на принципа на локалността, представата, че върху всеки обект могат да въздействат само процеси, протичащи в непосредствена близост до него, а скоростта на предаване на всеки физически сигнал е ограничена от скоростта на светлината във вакуум. Квантовата механика точно описва резултатите от такива експерименти с помощта на математическия апарат на вълновата функция, но не дава физически отговор на въпроса как точно се реализира тази връзка през пространството, което разделя частиците.
Петтини предложи да се разгледа процесът от гледна точка на геометрията: ако за предаването на сигнала няма физическа възможност в рамките на обичайното триизмерно пространство и едномерното време, този процес може да протича във второ времево измерение.
Изчислителен метод или физическа реалност?Развитието на концепциите за двете времена поставя пред научната общност един фундаментален въпрос: дали второто време е обективна реалност на Вселената или това е просто удобна математически хватка?
В историята на физиката вече има подобни прецеденти. Когато учените въведоха в математиката концепцията за имагинерните числа и комплексните променливи, мнозина ги смятаха за абстрактна измислица, която няма връзка с природата. По-късно обаче се оказа, че квантовата механика не може да бъде формулирана без комплексни числа: те пряко определят поведението на вълновите функции на електроните и фотоните.
Подобна ситуация се очертава и около временните координати. В теорията на Ицхак Барс шестимерното описание (4+2) се явява мощен аналитичен инструмент. То позволява да се видят скритите симетрии на уравненията, премахва математическите задънени улици в черните дупки и космологията, но при това оставя самия наблюдаем свят строго четириизмерен благодарение на калибрационната редукция. В този контекст второто време е ефективен метод за формулиране на квантовата гравитация.
В модела на Марко Петини второто време придобива пряк физически статут: то се превръща в среда, през която квантовите системи предават информация, без да нарушават пространствените ограничения на скоростта на светлината.
Окончателният отговор на този въпрос ще даде лабораторен експеримент за търсене на квантови смущения между независими фотони. Но независимо от резултата на този експеримент, самият факт на разработването на такива теории сочи към важен пробив в методологията на науката: физиците вече не считат едноизмерността на времето за непоклатима догма. Ако геометрията на пространството се окаже гъвкава и многоизмерна, то е напълно логично да се предположи, че времевата координата на Вселената също е по-сложно устроена, отколкото я възприемат човешките сетива и стандартните механични часовници.