Az új kvantumelmélet megmagyarázhatja az idő áramlását

Egy új elmélet magyarázza az idő visszafordíthatatlannak tűnő nyílját, miközben betekintést enged az entrópiába, a kvantumszámítógépekbe, a fekete lyukakba és a múlt-jövő megosztottságába.

A kávé lehűl, az épületek szétmállnak, a tojások összetörnek, és a csillagok kihajtanak egy univerzumban, amely a jelek szerint rendeltetésre áll, hogy egyenletes kopássá váljon, amelyet hőegyensúlynak neveznek. Sir Arthur Eddington csillagász-filozófus 1927-ben az energia fokozatos eloszlását az irreverzibilis „idő nyilának” bizonyítékaként említette.

De a fizikusok generációinak zavartsága miatt az idő nyila úgy tűnik, nem következik a fizikai alaptörvényekből, amelyek ugyanúgy működnek az időben, mint fordítva. E törvények szerint úgy tűnt, hogy ha valaki ismeri az univerzum összes részecskéjének útját, és megfordítja őket, akkor az energia inkább felhalmozódik, mintsem szétszóródna: a Tepid kávé spontán felmelegszik, az épületek felemelkednek a törmelékükből, és a napfény visszacsúszik a nap.

Az eredeti történet a SimonsForation.org szerkesztőségi független részlegének, a Simons Science News engedélyével jelent meg, amelynek feladata a matematika, valamint a fizikai és az élettudomány kutatási fejleményeinek és trendjeinek bemutatásával a tudomány nyilvánosságának megértése. „A klasszikus fizikában küzdöttünk ”- mondta Sandu Popescu, az Egyesült Királyság Bristoli Egyetemének fizika professzora. - Ha többet tudnék, megfordíthatnám-e az eseményt, össze tudnám-e rakni a petesejt összes molekuláját? Miért vagyok releváns?

Bizonyára, mondta, az idő nyilát nem az emberi tudatlanság irányítja. És mégis, az 1850-es évek termodinamikájának megszületése óta az energiaelterjedés kiszámításának egyetlen ismert megközelítése az ismeretlen részecskepályák statisztikai eloszlásának megfogalmazása volt, és megmutatta, hogy az idő múlásával a tudatlanság elkenette a dolgokat.

A fizikusok most egy alapvető forrást lepleznek le az idő nyilának: Az energia szétszóródnak és a tárgyak egyensúlyba kerülnek, mondják, annak az útnak az miatt, ahogy az elemi részecskék összefonódnak, amikor kölcsönhatásba lépnek - ez egy furcsa hatás, amelyet „kvantumos összefonódásnak” neveznek.

"Végül megérthetjük, miért egyensúlyozik egy csésze kávé a szobában" - mondta Tony Short, a bristoli kvantumfizikus. - Összefonódás keletkezik a kávéscsésze és a szoba állapota között.

Popescu, Short, valamint kollégáik, Noah Linden és Andreas Winter 2009-ben a Physical Review E folyóiratban számoltak be a felfedezésről, azzal érvelve, hogy az objektumok végtelen idő alatt elérik az egyensúlyt vagy az egyenletes energiaeloszlás állapotát azzal, hogy kvantummechanikailag összefonódnak azokkal. környéke. Peter Reimann, a németországi Bielefeldi Egyetem hasonló eredményei több hónappal korábban jelentek meg a Physical Review Letters-ben. Short és egy munkatárs 2012-ben megerősítette az érvet azzal, hogy kimutatta, hogy az összefonódás véges időn belül egyensúlyt okoz. Az arXiv.org tudományos preprint webhelyen februárban közzétett munkában két külön csoport tette a következő lépést, kiszámítva, hogy a legtöbb fizikai rendszer gyorsan egyensúlyba kerül, méretükkel arányos időskálán. "Annak bemutatására, hogy a tényleges fizikai világunk szempontjából releváns, a folyamatoknak ésszerű időskálán kell zajlaniuk" - mondta Short.

A kávé - és minden más - egyensúlyra való törekvése „nagyon intuitív” - mondta Nicolas Brunner, a genfi egyetem kvantumfizikusa. "De amikor meg kell magyarázni, miért történik, ez az első alkalom, hogy szilárd alapon származtak egy mikroszkopikus elmélet mérlegelésével."

Ha az új kutatási irány helyes, akkor az idő nyilának története azzal a kvantummechanikai elképzeléssel kezdődik, hogy a mélyben a természet eleve bizonytalan. Az elemi részecskékből hiányoznak meghatározott fizikai tulajdonságok, és csak a különböző állapotokban való lét valószínűsége határozza meg. Például egy adott pillanatban egy részecskének 50 százalékos esélye lehet az óramutató járásával megegyező irányban forogni és 50 százalékos az esélye az óramutató járásával ellentétes irányba. John Bell északír fizikus kísérletileg tesztelt tétele szerint a részecskének nincs „igazi” állapota; a valószínűségek az egyetlen valóság, ami annak tulajdonítható.

A kvantumbizonytalanság ekkor az összefonódást, az idő nyila feltételezett forrását eredményezi.

Ha két részecske kölcsönhatásba lép, akkor már nem is írhatók le saját, egymástól függetlenül fejlődő valószínűségükkel, az úgynevezett „tiszta állapotokkal”. Ehelyett egy bonyolultabb valószínűségi eloszlás kusza komponenseivé válnak, amely mindkét részecskét együtt írja le. Diktálhatja például, hogy a részecskék ellentétes irányban forogjanak. A rendszer egésze tiszta állapotban van, de az egyes részecskék állapota „összekeveredik” ismerőse állapotával. Kettő fényéveken át utazhat, és mindegyik pörgése összefüggésben marad a másikéval, Albert Einstein jellemzõje, amelyet híresen „kísérteties cselekedetnek tesznek el a távolban”.

"Az összefonódás bizonyos értelemben a kvantummechanika lényege", vagy a szubatomi léptékű interakciókat szabályozó törvények - mondta Brunner. A jelenség alapja a kvantumszámítás, a kvantum kriptográfia és a kvantum teleportálás.

Az az ötlet, hogy az összefonódás megmagyarázhatja az idő nyilát, Seth Lloyd-nál először körülbelül 30 évvel ezelőtt merült fel, amikor ő 23 éves filozófiai hallgató volt a Cambridge-i Egyetemen, Harvard fizikai diplomával. Lloyd rájött, hogy a kvantumbizonytalanság és az a módszer, ahogy a részecskék egyre jobban belegabalyodva terjed, helyettesítheti az emberi bizonytalanságot a régi klasszikus bizonyításokban, mint az idő nyíljának valódi forrásában.

A kvantummechanika homályos megközelítését alkalmazva, amely az információ egységeit tekintette alapvető építőelemeknek, Lloyd több éven át tanulmányozta a részecskék evolúcióját az 1-es és 0-os keverés szempontjából. Megállapította, hogy amint a részecskék egyre jobban összefonódnak egymással, az őket eredetileg leíró információk (például „1” az óramutató járásával megegyező irányban történő forgatáshoz és „0” az óramutató járásával ellentétes irányú forgatáshoz) például elmozdulnak az összefonódott részecskék rendszerének egészének leírására. . Mintha a részecskék fokozatosan elvesztették egyéni autonómiájukat, és a kollektív állam zálogai lettek volna. Végül az összefüggések tartalmaztak minden információt, az egyes részecskék pedig semmit sem. Ezen a ponton Lloyd felfedezte, hogy a részecskék egyensúlyi állapotba kerültek, és állapotuk nem változott, mint a szobahőmérsékletre hűlt kávé.

"Ami valójában történik, a dolgok egyre inkább korrelálnak egymással" - emlékezik vissza Lloyd. "Az idő nyila az egyre növekvő összefüggések nyila."

Az 1988-as doktori disszertációjában bemutatott ötlet süket fülekre esett. Amikor benyújtotta egy folyóirathoz, azt mondták neki, hogy „ebben a cikkben nincs fizika”. A kvantuminformáció-elmélet abban az időben „mélységesen népszerűtlen volt”, mondta Lloyd, és az idő nyilával kapcsolatos kérdések „a crackpotok és a Nobel-díjasok számára szóltak, akik a fejükben lágyak lettek”. emlékszik, hogy az egyik fizikus azt mondta neki.

"Könnyen megközelítettem a taxik vezetését" - mondta Lloyd.

A kvantumszámítás fejlődése azóta a kvantuminformáció-elméletet a fizika egyik legaktívabb ágává változtatta. Lloyd ma a Massachusettsi Műszaki Intézet professzora, amelyet a tudományág egyik alapítójának ismernek el, és figyelmen kívül hagyott ötlete erősebb formában került elő újra a bristoli fizikusok kezében. Az újabb bizonyítások általánosabbak, állítják a kutatók, és gyakorlatilag bármilyen kvantumrendszerre vonatkoznak.

"Amikor Lloyd dolgozatában javaslatot tett az ötletre, a világ még nem állt készen" - mondta Renato Renner, az ETH Zürich Elméleti Fizikai Intézetének vezetője. - Senki sem értette. Néha a megfelelő időben kell elképzelnie. "

2009-ben a Bristol-csoport bizonyítéka visszhangzott a kvantuminformáció-elméletek szakembereivel, új felhasználási lehetőségeket nyitva meg technikáik számára. Ez azt mutatta, hogy amint a tárgyak kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel - amikor egy csésze kávé részecskéi például a levegővel ütköznek -, tulajdonságaikra vonatkozó információ „kiszivárog és elkenődik az egész környezetben” - magyarázta Popescu. Ez a helyi információvesztés a kávé állapota stagnál, még akkor is, ha az egész szoba tiszta állapota folyamatosan fejlődik. Kivéve a ritka, véletlenszerű ingadozásokat, azt mondta: „állapota időben nem áll meg.”

Következésképpen egy langyos csésze kávé nem spontán melegszik fel. Elvileg, amint a szoba tiszta állapota fejlődik, a kávé hirtelen elvegyülhet a levegőből és tiszta saját állapotba kerülhet. De annyi vegyes állapot van, mint a tiszta állapot, és a tiszta állapot a kávé számára elérhető, hogy ez gyakorlatilag soha nem fordul elő - az embernek túl kell élnie az univerzumot, hogy tanúja legyen ennek. Ez a statisztikai valószínűtlenség az idő nyilának visszafordíthatatlanságot ad. "A lényegében az összefonódás nagyon nagy teret nyit meg előtted" - mondta Popescu. - Olyan, mintha a parkban lennél, és a kapu mellett indulnál, messze az egyensúlytól. Aztán belépsz és megvan ez a hatalmas hely, és eltévedsz benne. És soha nem térsz vissza a kapuhoz.

Az idő nyíljának új történetében az információvesztés a kvantumos összefonódás, nem pedig az emberi tudás szubjektív hiánya miatt, egy csésze kávét egyensúlyba sodor a környező helyiséggel. A szoba végül egyensúlyba kerül a külső környezettel, és a környezet még lassabban sodródik az univerzum többi részével való egyensúly felé. A 19. századi termodinamika óriásai ezt a folyamatot az energia fokozatos eloszlásának tekintették, amely növeli az univerzum teljes entrópiáját vagy rendellenességét. Ma Lloyd, Popescu és mások a maguk területén másképp látják az idő nyilát. Véleményük szerint az információ egyre diffúzabbá válik, de soha nem tűnik el teljesen. Tehát azt állítják, hogy bár az entrópia lokálisan növekszik, az univerzum teljes entrópiája állandó marad a nullán.

"A világegyetem egésze tiszta állapotban van" - mondta Lloyd. "De egyes darabjai, mivel összefonódnak az univerzum többi részével, keverékekben vannak."

Az idő nyíljának egyik aspektusa megoldatlan marad. "Ezekben a művekben semmi sem tudja megmondani, hogy miért a kapuban indultál" - mondta Popescu a park-hasonlatra hivatkozva. "Más szavakkal, nem magyarázzák meg, hogy a világegyetem kezdeti állapota miért volt messze az egyensúlytól." Azt mondta, hogy ez az ősrobbanás természetével kapcsolatos kérdés.

Az egyensúlyi időskálák kiszámításában a közelmúltban elért eredmények ellenére az új megközelítés még nem lépett előre, mint eszköz bizonyos dolgok, például kávé, üveg vagy egzotikus anyagállapotok termodinamikai tulajdonságainak elemzésében. (Számos hagyományos termodinamikus azt állította, hogy csak homályosan ismerik az új megközelítést.) "A lényeg az, hogy megtaláljuk azokat a kritériumokat, amelyek alapján a dolgok ablaküvegként viselkednek, és melyek egy csésze teához hasonlóan" - mondta Renner. "Úgy látnám, hogy az új papírok ebbe az irányba mutatnak, de még sok mindent el kell tennünk."

Egyes kutatók kétségüket fejezték ki amiatt, hogy a termodinamika ezen elvont megközelítése valaha is feladata lesz annak a kemény feladatnak a kezelése, amellyel Lloyd fogalmazott. De a fogalmi előrehaladás és az új matematikai formalizmus már segít a kutatóknak a termodinamikával kapcsolatos elméleti kérdések megválaszolásában, például a kvantumszámítógépek alapvető határaiban és még az univerzum végső sorsa.

"Egyre jobban elgondolkodtunk azon, hogy mit tehetünk a kvantumgépekkel" - mondta Paul Skrzypczyk, a barcelonai Fotonikai Tudományok Intézetéből. „Tekintettel arra, hogy egy rendszer még nincs egyensúlyban, szeretnénk munkát hozni belőle. Mennyi hasznos munkát tudunk kinyerni? Hogyan léphetek közbe valami érdekes érdekében?

Sean Carroll, a Kaliforniai Műszaki Intézet elméleti kozmológusa az új formalizmust alkalmazza a kozmológia időbeli nyíljára vonatkozó legújabb munkájában. "Érdekel a kozmológiai téridők rendkívül hosszú távú sorsa" - mondta Carroll, az "Az örökkévalóságtól egészen ide: Az idő végső elméletének keresése" című könyv szerzője. "Ez egy olyan helyzet, amikor nem igazán ismerjük a fizika összes vonatkozó törvényét, ezért van értelme nagyon absztrakt szinten gondolkodni, ezért találtam hasznosnak ezt az alapvető kvantummechanikai kezelést."

Huszonhat évvel azután, hogy Lloyd nagy ötlete az idő nyiláról lecsökkent, örül, hogy tanúja lehet ennek emelkedésének, és az ötleteket a fekete lyuk információs paradoxonjáról szóló legújabb munkájában alkalmazza. "Azt hiszem, most az lenne a konszenzus, hogy ebben van fizika" - mondta.

Nem beszélve egy kis filozófiáról.

A tudósok szerint az a képesség, hogy emlékezzünk a múltra, de a jövőre nem, az idő nyíljának egy másik, történelmileg zavaró megnyilvánulása, szintén felfogható az egymással kölcsönhatásban lévő részecskék közötti összefüggések felépülésének. Amikor elolvass egy üzenetet egy papíron, az agyad korrelál vele a szemedig eljutó fotonokon keresztül. Csak ettől a pillanattól fogva képes lesz emlékezni arra, amit az üzenet mond. Ahogy Lloyd fogalmazott: "A jelen a környezettel való korreláció folyamatával határozható meg."

Az összefonódás folyamatos növekedésének háttere az egész világegyetemben természetesen maga az idő. A fizikusok hangsúlyozzák, hogy annak ellenére, hogy nagy előrelépés történt annak megértésében, hogy az időben bekövetkező változások hogyan történnek, nem haladtak abban, hogy feltárják magának az időnek a természetét, vagy azt, hogy miért tűnik más (mind perceptuálisan, mind a kvantummechanika egyenleteiben), mint a tér három dimenziója. Popescu ezt „a fizika egyik legnagyobb ismeretlennek” nevezi.

"Megbeszélhetjük azt a tényt, hogy egy órája az agyunk kevesebb dologgal korrelált állapotban volt" - mondta. „De az a felfogásunk, hogy az idő folyik - ez egészen más kérdés. Valószínűleg egy újabb forradalomra lesz szükségünk a fizikában, amely erről mesél nekünk. "

Eredeti történet * a Quanta Magazine engedélyével, a SimonsFoundation.org szerkesztőségi szempontból független részlegének engedélyével, amelynek feladata a matematika, a fizikai és az élettudomány kutatási fejleményeinek és trendjeinek bemutatásával a tudomány nyilvánosságának megértése. *