Kawa stygnie, budynki zapadają się, jajka pękają, a gwiazdy znikają we wszechświecie, który ma przejść do monotonnej monotonii znanej jako równowaga termiczna. Astronom i filozof Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) stwierdził w 1927 roku, że stopniowe rozpraszanie energii jest dowodem nieodwracalności „strzały czasu”.
Ale ku zdziwieniu całych pokoleń fizyków koncepcja strzałki czasu nie odpowiada podstawowym prawom fizyki, które z czasem działają zarówno w przód, jak iw przeciwnym kierunku. Zgodnie z tymi prawami, gdyby ktoś znał ścieżki wszystkich cząstek we wszechświecie i je odwracał, energia gromadziłaby się, a nie rozpraszała: zimna kawa zaczęłaby się nagrzewać, z ruin wyrastały budynki, a światło słoneczne kierowane było z powrotem w stronę Słońca.
„Mieliśmy trudności z fizyką klasyczną” - mówi profesor Sandu Popescu, który wykłada fizykę na Uniwersytecie w Bristolu w Wielkiej Brytanii. „Gdybym wiedział więcej, czy mógłbym odwrócić bieg wydarzeń i połączyć wszystkie cząsteczki w rozbitym jajku?”
Oczywiście, mówi, strzałą czasu nie rządzi ludzka ignorancja. A jednak od czasu powstania termodynamiki w latach pięćdziesiątych XIX wieku jedynym znanym sposobem obliczania propagacji energii jest wzór na statystyczny rozkład nieznanych trajektorii cząstek oraz wykazanie, że z czasem ignorancja zaciera obraz rzeczy.
Fizycy odkrywają teraz bardziej fundamentalne źródło strzałki czasu. Mówią, że energia rozprasza się, a obiekty dochodzą do stanu równowagi, ponieważ cząstki elementarne zaplątują się podczas interakcji. Nazwali ten dziwny efekt „mieszaniem kwantowym” lub splątaniem.
„W końcu możemy zrozumieć, dlaczego filiżanka kawy w pokoju stanowi równowagę” - mówi fizyk kwantowy z Bristolu Tony Short. „Istnieje niejasność między stanem filiżanki kawy a stanem pomieszczenia”.
Popescu, Short i ich koledzy Noah Linden i Andreas Winter opisali swoje odkrycie w Physical Review E w 2009 r., Stwierdzając, że obiekty osiągają równowagę lub równomiernie rozłożoną energię w nieskończoność długi czas z powodu mechanicznego mieszania się z otoczeniem. Podobnego odkrycia kilka miesięcy wcześniej dokonał Peter Reimann z Uniwersytetu Bielefeld w Niemczech, po opublikowaniu swoich odkryć w Physical Review Letters. Short i koledzy poparli swój przypadek w 2012 r., Pokazując, że splątanie wywołuje równowagę w skończonym czasie. I w artykule opublikowanym w lutym na arXiv. org, dwa oddzielne zespoły wykonały kolejny krok, obliczając, że większość systemów fizycznych szybko się równoważy w czasie wprost proporcjonalnym do ich rozmiaru.„Aby pokazać, że dotyczy to naszego prawdziwego świata fizycznego, procesy muszą przebiegać w rozsądnych ramach czasowych” - mówi Short.
Tendencja do osiągania równowagi przez kawę (i wszystko inne) jest „bardzo intuicyjna” - mówi Nicolas Brunner, fizyk kwantowy z Uniwersytetu Genewskiego. „Ale wyjaśniając przyczyny takiego stanu rzeczy, po raz pierwszy mamy solidne podstawy uwzględniające teorię mikroskopii”.
Film promocyjny:
Jeśli nowa linia badań jest poprawna, to historia strzały czasu zaczyna się od teorii mechaniki kwantowej, że natura jest zasadniczo nieokreślona. Cząstka elementarna pozbawiona jest określonych właściwości fizycznych, a determinują ją jedynie prawdopodobieństwa przebywania w określonych stanach. Na przykład w pewnym momencie cząstka może obracać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara z 50% prawdopodobieństwem i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara z 50% prawdopodobieństwem. Testowane eksperymentalnie twierdzenie fizyka z Irlandii Północnej, Johna Bella, stwierdza, że nie ma „prawdziwego” stanu cząstek; prawdopodobieństwa to jedyna rzecz, która może być użyta do jego opisu.
Niepewność kwantowa nieuchronnie prowadzi do zamieszania - rzekomego źródła strzałki czasu.
Kiedy dwie cząstki oddziałują na siebie, nie można ich już opisać oddzielnymi, niezależnie ewoluującymi prawdopodobieństwami zwanymi „czystymi stanami”. Zamiast tego stają się splątanymi składnikami bardziej złożonego rozkładu prawdopodobieństwa, które opisują razem dwie cząstki. Mogą na przykład wskazywać, że cząstki wirują w przeciwnych kierunkach. System jako całość jest w stanie czystym, ale stan każdej cząstki jest „zmieszany” ze stanem innej cząstki. Obie cząstki mogą się oddalać od siebie o kilka lat świetlnych, ale rotacja jednej cząsteczki będzie korelować z drugą. Albert Einstein opisał to dobrze jako „upiorną akcję na odległość”.
„Splątanie jest w pewnym sensie istotą mechaniki kwantowej” lub praw rządzących interakcjami w skali subatomowej - mówi Brunner. Zjawisko to leży u podstaw obliczeń kwantowych, kryptografii kwantowej i teleportacji kwantowej.
Pomysł, że zamieszanie może wyjaśnić strzałę czasu, po raz pierwszy przyszedł do głowy Sethowi Lloydowi 30 lat temu, kiedy był 23-letnim absolwentem filozofii na Uniwersytecie Cambridge z tytułem magistra fizyki na Harvardzie. Lloyd zdał sobie sprawę, że niepewność kwantowa i jej propagacja w miarę, jak cząstki stają się bardziej splątane, mogą zastąpić ludzką niepewność (lub ignorancję) w starych klasycznych dowodach i stać się prawdziwym źródłem strzałki czasu.
Korzystając z mało znanego podejścia mechaniki kwantowej, w którym jednostki informacji są podstawowymi elementami budulcowymi, Lloyd spędził kilka lat na badaniu ewolucji cząstek pod względem tasowania zer i jedynek. Odkrył, że w miarę jak cząstki coraz bardziej mieszają się ze sobą, informacje, które je opisują (na przykład 1 dla obrotu zgodnego z ruchem wskazówek zegara i 0 dla obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara) posłużą do opisania systemu splątanych cząstek jako całości. Cząsteczki zdawały się stopniowo tracić niezależność i stawały się pionkami kolektywnego państwa. Z biegiem czasu wszystkie informacje są przekazywane do tych zbiorowych klastrów, podczas gdy pojedyncze cząstki w ogóle ich nie mają. W tym momencie, jak odkrył Lloyd, cząsteczki wchodzą w stan równowagi, a ich stany przestają się zmieniać, tak jak filiżanka kawy schładza się do temperatury pokojowej.
„Co się naprawdę dzieje? Rzeczy stają się coraz bardziej powiązane. Strzałka czasu jest strzałką wzrostu korelacji."
Pomysł ten, przedstawiony w rozprawie doktorskiej Lloyda w 1988 roku, nie został uwzględniony. Kiedy naukowiec wysłał artykuł na ten temat do redakcji czasopisma, powiedziano mu, że „w tej pracy nie ma fizyki”. Lloyd twierdzi, że w tamtym czasie teoria informacji kwantowej była „głęboko niepopularna”, a pytania o strzałkę czasu „padały ofiarą wielu psychologów i szalonych laureatów Nagrody Nobla”.
„Byłem cholernie bliski zostania taksówkarzem” - powiedział.
Od tego czasu postęp w dziedzinie obliczeń kwantowych uczynił kwantową teorię informacji jedną z najbardziej aktywnych dziedzin fizyki. Lloyd jest obecnie profesorem w Massachusetts Institute of Technology, uznawany jest za jednego z założycieli tej dyscypliny, a jego zapomniane pomysły ożywają dzięki wysiłkom fizyków z Bristolu. Naukowcy twierdzą, że nowe dowody są bardziej ogólne i mają zastosowanie do każdego układu kwantowego.
„Kiedy Lloyd przedstawił tę ideę w swojej rozprawie, świat nie był na to gotowy” - mówi Renato Renner, kierownik Instytutu Fizyki Teoretycznej w Szwajcarskiej Wyższej Szkole Technicznej w Zurychu. - Nikt go nie rozumiał. Czasami potrzebujesz pomysłów, które pojawią się we właściwym czasie”.
W 2009 roku dowody zespołu fizyków z Bristolu spotkały się z uznaniem teoretyków informacji kwantowej, którzy odkryli nowe sposoby zastosowania ich metod. Pokazali, że gdy przedmioty wchodzą w interakcję ze swoim otoczeniem - gdy cząsteczki w filiżance kawy oddziałują z powietrzem - informacja o ich właściwościach „wycieka i rozprzestrzenia się w tym środowisku” - wyjaśnia Popescu. Ta lokalna utrata informacji powoduje, że stan kawy pozostaje niezmieniony, nawet jeśli stan czystości całego pomieszczenia nadal się zmienia. Z wyjątkiem rzadkich przypadkowych fluktuacji, jak mówi naukowiec, „jego stan przestaje się zmieniać w czasie”.
Okazuje się, że zimna kawa nie może się samoistnie nagrzać. Zasadniczo, wraz z ewolucją stanu czystości w pomieszczeniu, kawa może nagle ulotnić się z powietrza w pomieszczeniu i powrócić do czystego stanu. Ale jest o wiele więcej stanów mieszanych niż czystych i praktycznie kawa nigdy nie może wrócić do czystego stanu. Aby to zobaczyć, będziemy musieli żyć dłużej niż wszechświat. To statystycznie niskie prawdopodobieństwo sprawia, że strzała czasu jest nieodwracalna. „Zasadniczo miksowanie otwiera przed nami ogromną przestrzeń” - mówi Popescu. - Wyobraź sobie, że jesteś w parku z bramą przed sobą. Gdy tylko w nie wejdziesz, stracisz równowagę, znajdziesz się w ogromnej przestrzeni i zgubisz w niej. Nigdy nie wrócisz do bramy."
W nowej historii strzały czasu informacje giną w procesie splątania kwantowego, a nie z powodu subiektywnego braku ludzkiej wiedzy o tym, co przywraca równowagę filiżance kawy i pomieszczeniu. Pokój w końcu równoważy się z otoczeniem, a otoczenie jeszcze wolniej zbliża się do równowagi z resztą wszechświata. Giganci termodynamiczni XIX wieku postrzegali ten proces jako stopniowe rozpraszanie energii, które zwiększa całkowitą entropię lub chaos we wszechświecie. Dzisiaj Lloyd, Popescu i inni w terenie inaczej patrzą na strzałkę czasu. Ich zdaniem informacje stają się coraz bardziej rozproszone, ale nigdy całkowicie nie znikają. Chociaż entropia rośnie lokalnie, całkowita entropia wszechświata pozostaje stała i zerowa.
„Ogólnie rzecz biorąc, wszechświat jest w stanie czystym” - mówi Lloyd. „Ale jego poszczególne części, przeplatające się z resztą wszechświata, wchodzą w stan mieszany”.
Ale jedna tajemnica strzałki czasu pozostaje nierozwiązana. „W tych pracach nie ma nic, co wyjaśniałoby, dlaczego zaczynasz od bramy” - mówi Popescu, wracając do analogii z parkiem. „Innymi słowy, nie wyjaśniają, dlaczego pierwotny stan wszechświata był daleki od równowagi”. Naukowiec wskazuje, że to pytanie odnosi się do natury Wielkiego Wybuchu.
Pomimo niedawnych postępów w obliczeniach czasu równowagi, nowe podejście nadal nie może być narzędziem do obliczania właściwości termodynamicznych określonych rzeczy, takich jak kawa, szkło czy nietypowe stany skupienia. (Niektórzy tradycyjni termodynamicy twierdzą, że wiedzą bardzo mało o nowym podejściu). „Chodzi o to, że musisz znaleźć kryteria, według których rzeczy zachowują się jak szkło okienne, a które jak filiżanka herbaty” - mówi Renner. „Myślę, że zobaczę nowe prace w tym kierunku, ale wciąż jest wiele do zrobienia”.
Niektórzy badacze kwestionowali, czy to abstrakcyjne podejście do termodynamiki kiedykolwiek będzie w stanie dokładnie wyjaśnić, jak zachowują się określone obserwowalne. Jednak postęp koncepcyjny i nowy zestaw formuł matematycznych już teraz pomagają badaczom w zadawaniu pytań teoretycznych z zakresu termodynamiki, takich jak podstawowe ograniczenia komputerów kwantowych, a nawet ostateczny los wszechświata.
„Coraz więcej myślimy o tym, co można zrobić z maszynami kwantowymi” - mówi Paul Skrzypczyk z Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie. - Powiedzmy, że system nie jest jeszcze w równowadze i chcemy, aby działał. Ile pożytecznej pracy możemy wydobyć? Jak mogę zainterweniować, aby zrobić coś interesującego?”
Teoretyk kosmologii Caltech Sean Carroll zastosował nowe formuły w swojej najnowszej pracy na temat strzałki czasu w kosmologii. „Interesuje mnie najbardziej długoterminowy los kosmologicznej czasoprzestrzeni” - mówi Carroll, który napisał „From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time” (Od nieskończoności tutaj. Poszukiwanie skończonej teorii czasu). „W tej sytuacji nadal nie znamy wszystkich niezbędnych praw fizyki, więc warto przejść do poziomu abstrakcyjnego i myślę, że tutaj pomoże nam to kwantowo-mechaniczne podejście”.
Dwadzieścia sześć lat po fiasku wspaniałej idei strzały czasu Lloyda cieszy się z jej renesansu i stara się zastosować idee ostatniej pracy do paradoksu informacji wpadających w czarną dziurę. „Myślę, że teraz zaczną mówić o tym, że w tym pomyśle jest fizyka” - mówi.
A jeszcze bardziej filozofia.
Zdaniem naukowców naszą zdolność do zapamiętywania przeszłości, ale nie przyszłości, która jest mylącą manifestacją strzałki czasu, można również postrzegać jako wzrost korelacji między oddziałującymi cząstkami. Kiedy czytasz notatkę na kartce papieru, mózg koreluje z informacją poprzez fotony, które dostają się do twoich oczu. Dopiero od tego momentu możesz sobie przypomnieć, co jest napisane na kartce. Jak zauważa Lloyd, „teraźniejszość można scharakteryzować jako proces ustalania korelacji z naszym otoczeniem”.
Tłem dla stałego wzrostu splotu we wszechświecie jest oczywiście sam czas. Fizycy podkreślają, że pomimo wielkich postępów w zrozumieniu, jak zachodzą zmiany w czasie, nie zbliżyli się ani o krok do zrozumienia natury samego czasu ani tego, dlaczego różni się on od pozostałych trzech wymiarów przestrzeni (konceptualnie iw równaniach mechaniki kwantowej). … Popescu nazywa tę zagadkę „jedną z największych niewiadomych w fizyce”.
„Możemy omówić, że godzinę temu nasz mózg znajdował się w stanie, który korelował z mniejszą liczbą rzeczy” - mówi. „Ale nasze postrzeganie upływającego czasu to zupełnie inna sprawa. Najprawdopodobniej będziemy potrzebować nowej rewolucji w fizyce, która o tym opowie”.