Стрела времени может указывать в обоих направлениях внутри стекла

В повседневной жизни мы воспринимаем время как имеющее только одно направление. Кто когда-нибудь видел, чтобы чашка разбилась об пол, а затем спонтанно собралась заново? Для физиков это не является самоочевидным, поскольку формулы, описывающие движения, применимы независимо от направления времени.

Например, видео, на котором маятник беспрепятственно раскачивается, будет выглядеть точно так же, если он пойдет назад. Ежедневная необратимость, с которой мы сталкиваемся, проявляется только благодаря еще одному закону природы — второму закону термодинамики. Это говорит о том, что беспорядок (энтропия) в системе постоянно растет. Однако если бы разбитая чашка собралась сама, беспорядок уменьшился бы.

Направление движения времени кажется довольно очевидным; оно идет из прошлого в будущее. Эта так называемая стрела времени (или ось времени) связана с энтропией — мерой беспорядка системы. С течением времени в изолированной системе энтропия всегда возрастает и процесс необратим. Но с определенной точки зрения существуют материалы, которые бросают вызов такому поведению и они очень распространены: стекло и пластик.

Эти материалы состоят из молекул, обычно расположенных в случайном порядке. Даже в твердом состоянии составляющие их молекулы движутся, хотя это невероятно медленный процесс. Молекулы всегда ищут наиболее благоприятное энергетическое состояние, и этот процесс со временем меняет свойства материала. Для стекла в окне потребовались бы миллиарды лет.

Чтобы взглянуть на этот процесс с точки зрения материала, исследователи используют «материальное время» — внутренние часы, «тикающие» внутри рассматриваемого вещества.

Они зависит от того, насколько быстро реорганизуются молекулы внутри материала, а это означает, что может быть материал, который имеет очень долгое материальное время. Тем не менее, в глобальном масштабе стрела времени указывает в будущее. Все меняется и стареет.

Измерение материального времени далеко не просто. Исследователи создали установку для изучения молекулярного движения в образце стекла, а статистические методы использовали для установления колебаний с течением времени.

Анализируя результаты, команда ученых обнаружила, что эти молекулярные флуктуации обратимы во времени. Это означает, что они будут выглядеть одинаково, если смотреть вперед или назад во времени.

«Однако это не означает, что старение материалов можно обратить вспять», — говорит ведущий автор исследования Тилль Бёмер из Технического университета Дармштадта.

Таким образом, небольшие молекулярные движения не влияют на старение всей системы. Они перемещаются и реорганизуются, не влияя на материальное время. Что касается данной стрелы времени, то в стекле и пластике молекулярные изменения могут идти как назад, так и вперед. Направление стрелы времени с молекулярной точки зрения не имеет значения. Но в целом стекло все равно стареет.

«Это оставляет нам гору вопросов без ответов», — добавил соавтор исследования профессор Томас Блохович.

Вытекает ли обратимость из обратимых физических законов? Чем отличается материальное время в разных материалах? Применимо ли это открытие ко всем неупорядоченным материалам, как подозревает команда? Это вопросы, ответы на которые теперь должны найти будущие исследования.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.