Kava se ohladi, zgradbe se zrušijo, razbijejo se jajca in zvezde gredo v vesolje, ki je usojeno, da se preusmeri v monotonijo črpalke, znano kot toplotno ravnovesje. Astronom in filozof sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) je leta 1927 izjavil, da je postopno odvajanje energije dokaz nepovratnosti "puščice časa."
Toda začudenje celotnih generacij fizikov koncept puščice časa ne ustreza osnovnim zakonom fizike, ki sčasoma delujejo tako v smeri naprej kot v nasprotno smer. Po teh zakonih bi človek, če bi poznal poti vseh delcev v vesolju in jih preusmeril, kopičil, namesto da bi se razpršil: hladna kava bi se začela segrevati, zgradbe bi se dvigale iz ruševin, sončna svetloba pa bi bila usmerjena nazaj proti Soncu.
"Imeli smo težave s klasično fiziko," pravi profesorica Sandu Popescu, ki predava fiziko na univerzi v Bristolu v Britaniji. "Če bi vedel več, ali bi lahko obrnil pimo in sestavil vse molekule v razbitem jajcu?"
Seveda, pravi, puščici časa ne vlada človeška nevednost. In vendar, od nastanka termodinamike v 1850-ih, je bil edini znani način izračunavanja širjenja energije formula za statistično porazdelitev neznanih proge delcev in demonstracija, ki s časom nevednosti zabriše sliko stvari.
Fiziki zdaj odkrivajo bolj temeljni vir puščice časa. Energija se razblini in predmeti pridejo v ravnovesje, pravijo, ker se med interakcijo elementarni delci zapletejo. Ta čudni učinek so poimenovali "kvantno mešanje" ali zapletanje.
"Končno lahko razumemo, zakaj se skodelica kave v sobi ujema z njo," pravi kvantni fizik iz Bristola, Tony Short. "Obstaja zmeda med stanjem kavne skodelice in stanjem v sobi."
Popescu, Short in njuni kolegi Noah Linden in Andreas Winter so leta 2009 poročali o svojem odkritju v reviji Physical Review E, v katerem so zapisali, da predmeti pridejo v ravnovesje ali enakomerno razporejena energija za nedoločen čas dolgo časa zaradi kvantnega mehanskega mešanja z okoljem. Podobno odkritje je nekaj mesecev prej objavil Peter Reimann z univerze Bielefeld v Nemčiji, ki je svoje ugotovitve objavil v reviji Physical Review Letters. Short in sodelavci so podprli svoj primer leta 2012, saj so pokazali, da zapletenost v končnem času vzpostavi ravnovesje. In v prispevku, objavljenem februarja na arXiv. org, naslednji ločeni skupini sta naredili naslednji korak in izračunali, da se večina fizičnih sistemov hitro uravnoteži v času, sorazmernem z njihovo velikostjo."Da bi pokazali, da to velja za naš resnični fizični svet, se morajo procesi odvijati v razumnem časovnem okviru," pravi Short.
Težnja, da bi kava (in vse ostalo) prišla do ravnovesja, je "zelo intuitivna", pravi Nicolas Brunner, kvantni fizik z ženevske univerze. "Toda pri razlagi razlogov za to imamo prvič trdne temelje v zvezi z mikroskopsko teorijo."
Promocijski video:
Če je nova vrstica raziskav pravilna, se zgodovina puščice časa začne s kvantno mehansko predstavo, da je narava v bistvu nedoločena. Elementarni delček je brez posebnih fizikalnih lastnosti in ga določa le verjetnost, da se nahaja v določenih stanjih. Na primer, v določenem trenutku se lahko delček vrti v smeri urinega kazalca s 50-odstotno verjetnostjo in v nasprotni smeri urinega kazalca s 50-odstotno verjetnostjo. Eksperimentalno preizkušen teorem severno irskega fizika John Bell navaja, da ni "pravega" stanja delcev; verjetnosti so edina stvar, ki jo lahko uporabimo za opisovanje.
Kvantna negotovost neizogibno vodi v zmedo - domnevni vir puščice časa.
Ko dva delca delujeta, jih ni več mogoče opisati z ločenimi, neodvisno razvijajočimi se verjetnostmi, imenovanimi "čista stanja". Namesto tega postanejo zapletene komponente bolj zapletene porazdelitve verjetnosti, ki opisujeta dva delca skupaj. Lahko na primer kažejo, da se delci vrtijo v nasprotnih smereh. Sistem kot celota je v čistem stanju, vendar je stanje vsakega delca "pomešano" s stanjem drugega delca. Oba delca se lahko gibljeta več svetlobnih let narazen, vendar se vrtenje enega delca ujema z drugim. Albert Einstein je to dobro opisal kot "grozovito delovanje na daljavo."
"Zapletenost je v določenem smislu bistvo kvantne mehanike" ali zakonov, ki urejajo interakcije na subatomskem merilu, pravi Brunner. Ta pojav je jedro kvantnega računanja, kvantne kriptografije in kvantne teleportacije.
Zamisel, da zmeda lahko razloži puščico časa, se je prvič pojavila pri Sethu Lloydu pred 30 leti, ko je bil 23-letni diplomant filozofije na univerzi Cambridge s fakulteto Harvard iz fizike. Lloyd je spoznal, da lahko kvantna negotovost in njeno širjenje, ko delci postanejo bolj zapleteni, nadomestijo človekovo negotovost (ali nevednost) v starih klasičnih dokazih in postanejo pravi vir puščice časa.
Z malo poznanim kvantno mehanskim pristopom, v katerem so enote informacij osnovni gradniki, je Lloyd nekaj let preučeval evolucijo delcev v smislu premeščanja in ničel. Ugotovil je, da bodo delci, ki se med seboj vse bolj mešajo, informacije, ki so jih opisale (na primer 1 za vrtenje v smeri urinega kazalca in 0 v nasprotni smeri urinega kazalca), opisale sistem zapletenih delcev kot celote. Zdelo se je, da delci postopoma izgubljajo svojo neodvisnost in postajajo peti kolektivne države. Sčasoma se vse informacije prenesejo v te kolektivne skupine, posameznih delcev pa sploh nimajo. Na tej točki, kot je odkril Lloyd, delci vstopijo v ravnovesje in njihova stanja se nehajo spreminjati, kot se skodelica kave ohladi do sobne temperature.
"Kaj se v resnici dogaja? Stvari postajajo bolj povezane. Puščica časa je puščica rasti korelacij."
Ta ideja, zapisana v Lloydovi doktorski disertaciji leta 1988, ni šla brez upoštevanja. Ko je znanstvenik v uredništvo časopisa poslal članek o tem, so mu rekli, da v tem delu fizike ni. Kvantna teorija informacij je bila takrat "globoko nepriljubljena", pravi Lloyd, vprašanja o puščici časa "pa so bila veliko psihoza in motečih nobelovcev".
"Bil sem precej prekleto blizu, da sem postal taksist," je dejal.
Od takrat je napredek kvantnega računanja postal teorija kvantnih informacij eno najbolj dejavnih področij fizike. Lloyd je trenutno profesor na Massachusetts Institute of Technology, priznan je kot eden izmed ustanoviteljev te discipline, njegove pozabljene ideje pa oživljajo prizadevanja fizikov iz Bristola. Novi dokazi so splošnejši, pravijo znanstveniki in veljajo za kateri koli kvantni sistem.
"Ko je Lloyd idejo predstavil v svoji disertaciji, svet zanjo ni bil pripravljen," pravi Renato Renner, vodja Inštituta za teoretično fiziko na švicarski višji tehniški šoli v Zürichu. - Nihče ga ni razumel. Včasih potrebuješ ideje, da prideš ob pravem času."
Leta 2009 so dokazi iz ekipe Bristolskih fizikov odmevali s kvantnimi teoretiki informacij, ki so odkrili nove načine uporabe svojih metod. Pokazali so, da kot predmeti medsebojno delujejo z njihovim okoljem - podobni delci v skodelici kave komunicirajo z zrakom - informacije o njihovih lastnostih "puščajo in se širijo po tem okolju," razlaga Popescu. Ta lokalizirana izguba informacij povzroči, da stanje kave ostane nespremenjeno, tudi če se čisto stanje celotne sobe še naprej spreminja. Z izjemo redkih naključnih nihanj, znanstvenik pravi, "njegovo stanje se sčasoma neha spreminjati."
Izkazalo se je, da se hladna skodelica kave ne more spontano segreti. V bistvu, ko se čisto stanje sobe razvija, lahko kava nenadoma uide iz zraka v sobi in se vrne v čisto stanje. Vendar obstaja veliko več mešanih stanj kot čistih stanja in praktično se kava nikoli ne more vrniti v čisto stanje. Da bi to videli, bomo morali živeti dlje kot vesolje. Ta statistična nizka verjetnost naredi puščico časa nepovratno. "V bistvu mešanje odpira velik prostor za nas," pravi Popescu. - Predstavljajte si, da ste v parku z vrati pred vami. Takoj ko vstopite vanje, ste zunaj ravnotežja, se znajdite v ogromnem prostoru in se v njem izgubite. Nikoli se ne vrnete na vrata."
V novi zgodovini puščice časa se informacije izgubljajo v procesu kvantnega zapletanja, ne zaradi subjektivnega pomanjkanja človeškega znanja o tem, kaj skodelico kave in sobo spravlja v ravnovesje. Prostor se sčasoma uravnovesi z zunanjostjo, okolje pa se počasneje premika proti ravnovesju s preostalim vesoljem. Termodinamični velikani 19. stoletja so na ta postopek gledali kot na postopno odvajanje energije, ki povečuje celotno entropijo ali kaos vesolja. Danes Lloyd, Popescu in drugi na terenu puščico časa vidijo drugače. Po njihovem mnenju informacije postajajo vedno bolj razpršene, vendar nikoli popolnoma ne izginejo. Čeprav entropija raste lokalno, skupna entropija vesolja ostaja konstantna in enaka nič.
"Na splošno je vesolje v čistem stanju," pravi Lloyd. "Toda njeni posamezni deli, ki se prepletajo s preostalim vesoljem, prihajajo v mešano stanje."
Toda ena skrivnost puščice časa ostaja nerešena. "V teh delih ni ničesar, kar bi razložilo, zakaj začnete pri vratih," pravi Popescu, ki se vrača k analogiji parka. "Z drugimi besedami, ne pojasnjujejo, zakaj je bilo prvotno stanje vesolja daleč od ravnovesja." Znanstvenik namiguje, da se to vprašanje nanaša na naravo Velikega poka.
Kljub nedavnemu napredku izračunov časa za uravnavanje, novi pristop še vedno ne more biti orodje za izračun termodinamičnih lastnosti določenih stvari, kot so kava, kozarec ali nenavadna stanja snovi. (Nekateri tradicionalni termodinamiki pravijo, da o novem pristopu vedo zelo malo.) "Bistvo je, da morate najti kriterije, za katere se stvari obnašajo kot okensko steklo in katere stvari so kot skodelica čaja," pravi Renner. "Mislim, da bom videl novo delo v tej smeri, vendar je treba še veliko storiti."
Nekateri raziskovalci so se spraševali, ali bo ta abstraktni pristop k termodinamiki kdaj lahko natančno razložil, kako se obnašajo določeni opazovalci. Toda konceptualni napredek in nov sklop matematičnih formul že pomagata raziskovalcem postavljati teoretična vprašanja v termodinamiki, kot so temeljne omejitve kvantnih računalnikov in celo končna usoda vesolja.
"Vedno več razmišljamo o tem, kaj lahko storimo s kvantnimi stroji," pravi Paul Skrzypczyk z inštituta za fotonske znanosti v Barceloni. - Recimo, da sistem še ni v ravnovesju in želimo, da deluje. Koliko koristnega dela lahko izluščimo? Kako lahko posredujem, da naredim nekaj zanimivega?"
Caltech teoretik kozmologije Sean Carroll nove formule uporablja v svojem zadnjem delu o časovni puščici v kozmologiji. "Zanima me najbolj dolgoročna usoda kozmološkega vesolja-časa," pravi Carroll, ki je napisal From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Od neskončnosti tukaj. Iskanje končne teorije časa). "V tej situaciji še vedno ne poznamo vseh potrebnih zakonov fizike, zato je smiselno, da se obrnemo na abstraktno raven, in tukaj, mislim, da nam bo pomagal ta kvantno-mehanski pristop."
Šestindvajset let po neuspehu Lloydove grandiozne ideje o puščici časa uživa v njeni renesansi in poskuša ideje zadnjega dela uporabiti za paradoks informacij, ki padejo v črno luknjo. "Mislim, da bodo zdaj začeli govoriti o tem, da v tej ideji obstaja fizika," pravi.
In filozofija še toliko bolj.
Po mnenju znanstvenikov se naša sposobnost spominjanja preteklosti, ne pa prihodnosti, kar je zmedeno manifestacija puščice časa, lahko razume tudi kot povečanje korelacij med interaktivnimi delci. Ko berete opombo na kosu papirja, možgani s pomočjo fotonov, ki vstopajo v vaše oči, sovpadajo s podatki. Šele od tega trenutka se lahko spomniš, kaj piše na papirju. Kot ugotavlja Lloyd, "lahko sedanjost označimo kot proces vzpostavljanja korelacije z našim okoljem."
Ozadje za enakomerno rast tkanja po vsem vesolju je seveda čas sam. Fiziki poudarjajo, da kljub velikemu napredku razumevanja, kako se spremembe v času dogajajo, niso prišli korak bližje razumevanju same narave časa ali zakaj se ta razlikuje od ostalih treh dimenzij prostora (konceptualno in v enačbah kvantne mehanike) … Popescu imenuje to uganko "eno največjih neznank v fiziki."
"Lahko se pogovarjamo, da so bili naši možgani pred eno uro v stanju, ki je povezano z manj stvari," pravi. "Toda naše dojemanje, da čas mineva, je povsem druga stvar. Najverjetneje bomo potrebovali novo revolucijo v fiziki, ki bo povedala o tem."