Chladenie kávy, kolaps budov, rozbíjanie vajíčok a hviezdy idú vo vesmíre, ktorý je určený na posun k fádnej monotónnosti známej ako tepelná rovnováha. Astronóm a filozof Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) v roku 1927 uviedol, že postupné rozptyľovanie energie je dôkazom nezvratnosti „šípky času“.
Ale k zmätku celých generácií fyzikov, koncept šípky času nezodpovedá základným fyzikálnym zákonom, ktoré v čase pôsobia tak vpred, ako aj v opačnom smere. Podľa týchto zákonov, ak niekto pozná cesty všetkých častíc vo vesmíre a obráti ich, energia sa bude hromadiť skôr ako rozptyľovať: studená káva by sa začala zahrievať, budovy by sa zdvíhali z ruín a slnečné svetlo by smerovalo späť k Slnku.
„Mali sme problémy s klasickou fyzikou,“hovorí profesor Sandu Popescu, ktorý vyučuje fyziku na britskej univerzite v Bristole. „Keby som vedel viac, mohol by som príliv odvrátiť a dať dohromady všetky molekuly v rozbitom vajíčku?“
Samozrejme, hovorí, že šípka času nie je ovládaná ľudskou ignoranciou. Od začiatku termodynamiky v 50. rokoch 20. storočia je však jediným známym spôsobom výpočtu šírenia energie vzorec na štatistické rozdelenie neznámych trajektórií častíc a demonštrácia, že neznalosť rozmazáva obraz v priebehu času.
Fyzici teraz odkrývajú zásadnejší zdroj času. Energia sa rozptyľuje a objekty sa dostávajú do rovnováhy, hovoria, pretože elementárne častice sa počas interakcie zaplietnu. Tento zvláštny efekt nazvali „kvantové miešanie“alebo zapletenie.
„Môžeme konečne pochopiť, prečo s ňou prichádza do úvahy šálka kávy v miestnosti,“hovorí kvantový fyzik Tony Short z Bristolu. „Medzi stavom šálky kávy a stavom miestnosti je zámena.“
Popescu, Short a ich kolegovia Noah Linden a Andreas Winter informovali o svojom objave v správe Fyzický prehľad E v roku 2009, v ktorej uviedli, že objekty sa donekonečna vyvážia alebo rovnomerne rozložia energiu. dlhá doba vďaka kvantovému mechanickému miešaniu s prostredím. Podobný objav pred niekoľkými mesiacmi urobil Peter Reimann z Bielefellovej univerzity v Nemecku, ktorý uverejnil svoje zistenia v listoch Physical Review Letters. Short a kolegovia podporili svoj prípad v roku 2012 tým, že ukázali, že zapletenie vyvoláva rovnováhu v konečnom čase. A v novine uverejnenej vo februári o arXiv. org, dva oddelené tímy urobili ďalší krok, vypočítajúc, že väčšina fyzických systémov sa rýchlo vyrovnáva v čase priamo úmernom ich veľkosti.„Aby sme dokázali, že to platí pre náš skutočný fyzický svet, musia procesy prebiehať v primeranom časovom rámci,“hovorí Short.
Tendencia k rovnováhe kávy (a všetkého ostatného) je „veľmi intuitívna“, hovorí Nicolas Brunner, kvantový fyzik na Ženevskej univerzite. „Pri vysvetľovaní dôvodov však máme po prvýkrát solídne základy mikroskopickej teórie.“
Propagačné video:
Ak je nová línia výskumu správna, potom história šípky času začína kvantovou mechanickou myšlienkou, že príroda je v zásade neurčitá. Elementárna častica nemá špecifické fyzikálne vlastnosti a je určená iba pravdepodobnosťou existencie v určitých stavoch. Napríklad v určitom okamihu sa môže častica otáčať v smere hodinových ručičiek s 50% pravdepodobnosťou a proti smeru hodinových ručičiek s 50% pravdepodobnosťou. Experimentálne testovaná veta severoírskeho fyzika Johna Bell uvádza, že neexistuje „skutočný“stav častíc; Pravdepodobnosť je jediná vec, ktorá sa dá použiť na jej opis.
Kvantová neistota nevyhnutne vedie k zmätku - údajnému zdroju času.
Keď dve častice interagujú, nemôžu byť ďalej opísané samostatnými, nezávisle sa vyvíjajúcimi pravdepodobnosťami nazývanými „čisté stavy“. Namiesto toho sa stávajú zapletenými zložkami zložitejšieho rozdelenia pravdepodobnosti, ktoré spolu opisujú dve častice. Môžu napríklad naznačovať, že častice sa točia v opačných smeroch. Systém ako celok je v čistom stave, ale stav každej častice je „zmiešaný“so stavom druhej častice. Obe častice sa môžu od seba vzdialiť niekoľko svetelných rokov, ale rotácia jednej častice bude korelovať s druhou. Albert Einstein to opísal dobre ako „strašidelné konanie na diaľku“.
„Zapletenie je v istom zmysle podstatou kvantovej mechaniky,“alebo zákony upravujúce interakcie na subatomárnej stupnici, hovorí Brunner. Tento jav je jadrom kvantovej práce na počítači, kvantovej kryptografie a kvantovej teleportácie.
Myšlienka, že miešanie môže vysvetliť šípku času, prvýkrát prišla na myseľ Setha Lloyda pred 30 rokmi, keď bol 23-ročný absolvent filozofie na Cambridge University s Harvardským stupňom fyziky. Lloyd si uvedomil, že kvantová neistota a jej šírenie, keď sa častice zapletú, by mohli nahradiť ľudskú neistotu (alebo nevedomosť) v starom klasickom dôkaze a stať sa skutočným zdrojom šípky času.
Použitím málo známeho kvantového mechanického prístupu, v ktorom sú informačné jednotky základnými stavebnými kameňmi, strávil Lloyd niekoľko rokov štúdiom vývoja častíc, pokiaľ ide o premiešavanie a nuly. Zistil, že keď sa častice navzájom viac a viac miešajú, informácie, ktoré ich opisujú (napríklad 1 pre rotáciu v smere hodinových ručičiek a 0 pre proti smeru hodinových ručičiek), sa prenesú do opisu systému zapletených častíc ako celku. Zdá sa, že častice postupne strácajú svoju nezávislosť a stali sa pešiakom kolektívneho štátu. V priebehu času sa všetky informácie prenášajú do týchto kolektívnych zhlukov, zatiaľ čo jednotlivé častice ich vôbec nemajú. V tomto okamihu, ako zistil Lloyd, častice vstúpia do stavu rovnováhy a ich stavy sa prestanú meniť, ako šálka kávy ochladzuje na izbovú teplotu.
"Čo sa naozaj deje?" Veci sú stále viac prepojené. Šípka času je šípkou rastu korelácií. “
Tento nápad, ktorý bol vysvetlený v doktorskej dizertačnej práci Lloyda v roku 1988, sa nevšimol. Keď vedec poslal článok do redakcie časopisu, bolo mu povedané, že „v tejto práci nie je fyzika“. Kvantová informačná teória „v tom čase bola„ hlboko nepopulárna “, hovorí Lloyd a otázky týkajúce sa časového obdobia„ boli mnohí psycho a šialení laureáti Nobelovej ceny. “
"Bol som dosť prekliaty, že som sa stal taxikárom," povedal.
Odvtedy pokroky v kvantovom výpočte urobili z kvantovej teórie informácií jednu z najaktívnejších oblastí fyziky. Lloyd je v súčasnosti profesorom na Massachusetts Institute of Technology, je uznávaný ako jeden zo zakladateľov tejto disciplíny a jeho zabudnuté myšlienky sú oživené úsilím fyzikov z Bristolu. Vedci tvrdia, že nové dôkazy sú všeobecnejšie a vzťahujú sa na akýkoľvek kvantový systém.
„Keď Lloyd prišiel s touto myšlienkou vo svojej dizertačnej práci, svet na to nebol pripravený,“hovorí Renato Renner, vedúci Inštitútu teoretickej fyziky na Švajčiarskej vysokej škole technickej v Zürichu. - Nikto mu nerozumel. Niekedy potrebujete nápady, aby ste prišli v správny čas. “
V roku 2009 rezonovali dôkazy tímu fyzikov v Bristole s kvantovými informačnými teoretikmi, ktorí objavili nové spôsoby, ako uplatňovať svoje metódy. Ukázali, že keď objekty interagujú so svojím prostredím - častice v šálke kávy interagujú so vzduchom - informácie o ich vlastnostiach „unikajú a šíria sa v tomto prostredí“, vysvetľuje Popescu. Táto lokalizovaná strata informácií spôsobuje, že stav kávy zostáva nezmenený, aj keď sa čistý stav celej miestnosti neustále mení. Vedec hovorí, s výnimkou zriedkavých náhodných výkyvov, „jeho stav sa časom prestane meniť“.
Ukazuje sa, že studená šálka kávy sa nemôže spontánne zahriať. V podstate, ako sa vyvíja čistý stav miestnosti, káva môže náhle uniknúť zo vzduchu v miestnosti a vrátiť sa do čistého stavu. Existuje však oveľa viac zmiešaných stavov ako čistých stavov a káva sa prakticky nikdy nemôže vrátiť do čistého stavu. Aby sme to videli, budeme musieť žiť dlhšie ako vesmír. Táto štatistická nízka pravdepodobnosť robí šípku času nezvratnou. „Miešanie nám v zásade otvára obrovský priestor,“hovorí Popescu. - Predstavte si, že ste v parku s bránou pred vami. Hneď ako ich zadáte, ste mimo rovnováhy, ocitnete sa v obrovskom priestore a stratíte sa v ňom. K bráne sa už nikdy nevrátite. ““
V novej histórii času sa informácie strácajú v procese kvantového zapletenia, nie kvôli subjektívnemu nedostatku ľudských vedomostí o tom, čo prináša šálku kávy a miestnosť do rovnováhy. Izba sa nakoniec vyrovnáva s vonkajšou stranou a prostredie sa pohybuje ešte pomalšie smerom k rovnováhe so zvyškom vesmíru. Termodynamickí obri 19. storočia považovali tento proces za postupný rozptyl energie, ktorý zvyšuje celkovú entropiu alebo chaos vesmíru. Dnes, Lloyd, Popescu a ďalší v teréne vidia šípku času inak. Podľa ich názoru sú informácie čoraz viac rozptýlené, ale nikdy úplne nezmiznú. Aj keď entropia rastie lokálne, celková entropia vesmíru zostáva konštantná a nulová.
"Celkovo je vesmír v čistom stave," hovorí Lloyd. „Ale jeho jednotlivé časti, ktoré sa prelínajú so zvyškom vesmíru, prichádzajú do zmiešaného stavu.“
Jedno tajomstvo šípky času však zostáva nevyriešené. "V týchto prácach nie je nič, čo by vysvetľovalo, prečo začínate pri bráne," hovorí Popescu a vracia sa k analógii parku. „Inými slovami, nevysvetľujú, prečo bol pôvodný stav vesmíru vzdialený od rovnováhy.“Vedec naznačuje, že táto otázka sa týka povahy Veľkého tresku.
Napriek nedávnemu pokroku vo výpočtoch rovnovážneho času nový prístup stále nemôže byť nástrojom na výpočet termodynamických vlastností konkrétnych vecí, ako je káva, sklo alebo nezvyčajné stavy hmoty. (Niektorí tradiční termodynamici tvrdia, že o novom prístupe vedia veľmi málo.) "Ide o to, že musíte nájsť kritériá, pre ktoré sa veci správajú ako okenné sklo a ktoré ako pre šálku čaju," hovorí Renner. „Myslím, že v tomto smere uvidím novú prácu, ale stále je toho veľa, čo treba urobiť.“
Niektorí vedci sa pýtali, či tento abstraktný prístup k termodynamike bude niekedy schopný presne vysvetliť, ako sa správajú konkrétne pozorovateľné. Koncepčný pokrok a nový súbor matematických vzorcov však už pomáhajú vedcom klásť teoretické otázky v termodynamike, ako sú základné obmedzenia kvantových počítačov a dokonca aj konečný osud vesmíru.
„Stále viac premýšľame o tom, čo sa dá urobiť s kvantovými strojmi,“hovorí Paul Skrzypczyk z Ústavu fotonických vied v Barcelone. - Povedzme, že systém ešte nie je v rovnováhe a chceme, aby fungoval. Koľko užitočnej práce môžeme získať? Ako môžem zasahovať, aby som urobil niečo zaujímavé? “
Caltech teoretik kozmológie Sean Carroll používa nové vzorce vo svojej najnovšej práci na časovej šípke v kozmológii. „Zaujímam sa o dlhodobý osud kozmologického vesmírneho času,“hovorí Carrollová, ktorá napísala From Eternity to Here: Hľadanie konečnej teórie času (Od nekonečna tu. Hľadanie konečnej teórie času). „V tejto situácii stále nepoznáme všetky potrebné fyzikálne zákony, takže je rozumné obrátiť sa na abstraktnú úroveň, a tu si myslím, že tento kvantovo-mechanický prístup nám pomôže.“
Dvadsaťšesť rokov po neúspechu Lloydovej veľkolepej predstavy o čase sa teší jeho renesancii a snaží sa aplikovať myšlienky poslednej práce na paradox informácií padajúcich do čiernej diery. "Myslím, že teraz začnú hovoriť o skutočnosti, že v tejto myšlienke je fyzika," hovorí.
A ešte viac filozofia.
Podľa vedcov sa naša schopnosť pamätať na minulosť, ale nie na budúcnosť, ktorá je mätúcim prejavom času, môže tiež považovať za zvýšenie korelácie medzi vzájomne sa ovplyvňujúcimi časticami. Keď čítate poznámku na kúsku papiera, mozog koreluje s informáciami prostredníctvom fotónov, ktoré vstupujú do vašich očí. Až od tejto chvíle si môžete pamätať, čo je napísané na papieri. Ako poznamenáva Lloyd, „prítomnosť je možné charakterizovať ako proces vytvárania korelácií s naším prostredím“.
Pozadie pre stály rast väzby v celom vesmíre je, samozrejme, čas sám. Fyzici zdôrazňujú, že napriek veľkému pokroku v porozumení toho, ako sa zmeny vyvíjajú v priebehu času, neprišli o krok bližšie k pochopeniu podstaty samotného času alebo prečo sa líši od ostatných troch rozmerov priestoru (koncepčne av rovniciach kvantovej mechaniky). … Popescu nazýva túto hádanku „jednou z najväčších neznámych vo fyzike“.
"Môžeme diskutovať o tom, že pred hodinou bol náš mozog v stave, ktorý koreloval s menším počtom vecí," hovorí. „Naše vnímanie toho, že čas plynie, je úplne iná záležitosť. S najväčšou pravdepodobnosťou budeme potrebovať novú revolúciu vo fyzike, ktorá o tom povie. ““