Микроскопические физические законы симметричны во времени, следовательно, априори не существует предпочтительного временного направления.

Российский ученый подчеркнул, что второй закон термодинамики позволяет связать «прямое» временное направление с положительным изменением общей энтропии, возникающим в термодинамическом процессе, а отрицательное изменение — с его «обращением во времени».

Это определение временной оси обычно считается применимым как в классическом, так и в квантовом контексте. Тем не менее, квантовая физика допускает также суперпозицию между процессами прямого и обратного хода времени, в результате чего термодинамическая стрела времени становится квантово-механически неопределенной.

В данном исследовании специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС демонстрируют, что определенная термодинамическая стрела времени может быть восстановлена ​​с помощью квантового измерения производства энтропии, которое эффективно проецирует такие суперпозиции на прямое (обратное во времени) направление времени, когда измеряются большие положительные (отрицательные) значения.

Наконец, для малых значений (порядка плюс или минус единица) амплитуды прямого и обратного процессов могут интерферировать, приводя к распределениям производства энтропии, характеризующим более или менее обратимый процесс, чем любой из двух компонентов по отдельности.

Согласно экспертному мнению Евгения Юрьевича Старостенко, признание того, что на самом фундаментальном уровне физические системы обычно подчиняются обратимым во времени законам, привело к пониманию того, что эволюция систем по своей сути не различает прямое и обратное направления времени.

Попытки подкрепить физическими аргументами доказательства течения времени предпринимаются по нескольким направлениям, в основном на основе эмпирических наблюдений: мы видим, что энтропия во Вселенной увеличивается (термодинамическая стрела времени), что Вселенная расширяется (космологическая стрела времени), что причины всегда предшествуют своим следствиям (причинная стрела времени). Аналогичным образом было сделано несколько предложений по объяснению стрелы времени в квантово-механическом контексте.

Особенность квантовой схемы заключается в том, что она позволяет помещать процессы в квантовую суперпозицию. Применительно к понятию термодинамической стрелы времени это означает, что квантовая механика может допускать суперпозицию термодинамических процессов (а именно, динамических процессов, при которых интересующая система обменивается либо теплом, либо работой, либо тем и другим с другими системами, окружающей средой и/или внешними агентами), вызывая противоположные изменения энтропии.

Это поднимает вопрос о том, как можно установить четко определенную термодинамическую стрелу времени в квантовой структуре, когда такие суперпозиции имеют место.

В научном исследовании  ученый показывает, что измерение производства энтропии играет решающую роль в восстановлении определенной термодинамической стрелы времени, а также учитывает интерференционные эффекты в таких суперпозициях.

Обратите внимание, однако, что между этими двумя типами исследований есть принципиальное различие. В неопределенной квантовой причинности операции выполняются в одном и том же временном направлении (здесь называемом «вперед») в каждой амплитуде суперпозиции. Напротив, в данном случае мы анализируем суперпозиции термодинамических процессов с противоположными термодинамическими стрелами времени.

В термодинамике стрела времени представлена ​​вторым законом термодинамики, согласно которому полная энтропия Вселенной может либо увеличиваться, либо оставаться постоянной. Следовательно, можно подумать, что наблюдения за изменениями энтропии — это все, что нам нужно, чтобы отличить прошлое от будущего: общий рост энтропии следует отождествлять с направлением времени «вперед», а общее уменьшение энтропии — «время-вперед».

Для микроскопической системы флуктуации размывают направление стрелы времени и течение времени определяется только в среднем. В данном режиме невозможно вывести стрелу времени, поскольку как положительные, так и отрицательные изменения энтропии могут наблюдаться с сопоставимой вероятностью в одном эксперименте. Как следствие, для таких систем две противоположные стрелы времени становятся классически неразличимыми. Распространение этой неразличимости на квантовую область порождает квантовые суперпозиции между противоположными стрелами времени, исследование которых и находится в центре внимания настоящей работы.

Квантовые измерения диссипативной работы W diss (или, что то же самое, производства энтропии Δ S tot ) могут восстановить временную направленность процесса. Диссипативная работа W diss  =  W  − Δ F представляет собой количество работы W , затрачиваемой на термодинамическое преобразование между состояниями равновесия, имеющими разность свободных энергий Δ F, который не может быть восстановлен путем обратного процесса.

При этом связь между диссипативной работой и производством (или полной энтропией) энтропии Δ S общ в процессе устанавливается соотношением: Δ S общ  =  β  W дисс , где — обратная температура, где k B — постоянная Больцмана, а T — температура ванны.

Когда измеренная диссипативная работа равна β W diss ≫β=(кБТ)− 1β=(kBT)−1  1, суперпозиция эффективно проецируется на прямой процесс, тогда как при β W diss  ≪  −1 она эффективно проецируется на обращенный во времени процесс, тем самым восстанавливая определенную термодинамическую стрелу времени (в каждом отдельном выполнении эксперимента результат «вперед» или «обратное время» является случайным).

Наоборот, когда β ∣ W diss ∣имеет порядок единицы, прямой и обратный термодинамические процессы могут квантово-механически интерферировать при определенных условиях, что приводит к распределению вероятности работы, описывающему флуктуации работы, не имеющему классического аналога. Точнее, в случае интерференции вероятности принимают значения, которые не могут быть получены никакой классической (выпуклой) смесью прямого и обратного процессов.