Το βέλος του χρόνου ισχύει για τα κβαντικά συστήματα;
Το βέλος του χρόνου εξακολουθεί να δείχνει προς τα εμπρός ακόμη και σε κβαντικά συστήματα; Ένα νέο πείραμα φαίνεται να υπονοεί ναι, τα κβαντικά συστήματα υπακούουν στο βέλος του χρόνου — τουλάχιστον τις περισσότερες φορές. Μια νέα μελέτη από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις διεξήγαγε ένα πείραμα παρατήρησης της χρονικής τροχιάς προς τα εμπρός και προς τα πίσω ενός υπεραγώγιμου qubit, το οποίο επιβεβαίωσε ότι τα κβαντικά συστήματα εξακολουθούν να τηρούν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής όπως τα μακροσκοπικά συστήματα. Η νέα μελέτη φαίνεται να δημιουργεί μια συνέπεια μεταξύ της μικροσκοπικής και της μακροσκοπικής δυναμικής μέτρησης.
Το πείραμα προχώρησε δημιουργώντας μια προσομοίωση της στατιστικής τροχιάς ενός qubit μέσω του χώρου, και στη συνέχεια παίζοντας τα δεδομένα προς τα πίσω για να δούμε ποια τροχιά, η τροχιά προς τα εμπρός ή προς τα πίσω στο χρόνο, ήταν πιο πιθανή. Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, όλα τα φυσικά συστήματα παρουσιάζουν αύξηση της εντροπίας με την πάροδο του χρόνου. Παίζοντας τα δεδομένα προς τα πίσω, οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι η εντροπία αυξήθηκε μόνο προς τη μελλοντική κατεύθυνση, αποδεικνύοντας έτσι ότι τα κβαντικά συστήματα συμμορφώνονται με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, τουλάχιστον στις περισσότερες περιπτώσεις. Το πείραμα είναι νέο στη χρήση νέων στατιστικών τεχνικών για την πρόβλεψη της χρονικής εξέλιξης των κβαντικών συστημάτων. Η νέα μελέτη μπορεί να διαβαστεί πλήρως στον ιστότοπο προεκτύπωσης arXiv.
Το βέλος του χρόνου και της εντροπίας
Αν υπάρχει μια φυσική αρχή που φαίνεται απαράδεκτη είναι η παρουσία του βέλους του χρόνου. Η φράση "βέλος του χρόνου" αναφέρεται στην πανταχού παρούσα παρατήρηση ότι ο χρόνος φαίνεται να ρέει μόνο σε ένα κατεύθυνση—από το παρελθόν στο μέλλον. Στον μακροσκοπικό τομέα—τον κόσμο των πραγμάτων όπως τα τραπέζια, οι καρέκλες, τα δέντρα και οι άνθρωποι, ο χρόνος παρατηρείται μόνο στο μέλλον. Αυτή η παρατήρηση φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με το πώς αντιμετωπίζεται ο χρόνος στη φυσική. Για πολλούς φυσικούς, ο χρόνος θεωρείται ως μια τέταρτη διάσταση, ανάλογη με τις τρεις χωρικές διαστάσεις. Ωστόσο, ενώ οι τρεις χωρικές διαστάσεις είναι ισότροπες , δηλαδή δεν έχουν προνομιακή κατεύθυνση, ο χρόνος φαίνεται να έχει προνομιακή κατεύθυνση. Επιπλέον, οι θεμελιώδεις φυσικοί νόμοι φαίνεται να είναι αναστρέψιμοι στο χρόνο, πράγμα που σημαίνει ότι εξακολουθούν να ισχύουν ανεξάρτητα από το αν «τρέχετε το ρολόι προς τα πίσω» ούτως ή άλλως.
Πολλοί φυσικοί έχουν προσφέρει μια εξήγηση για τη φαινομενική ανισοτροπία του χρόνου. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, το αντιληπτό βέλος του χρόνου είναι αποτέλεσμα του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, που μερικές φορές ονομάζεται νόμος της εντροπίας , όλα τα συστήματα παρουσιάζουν αύξηση της διαταραχής με την πάροδο του χρόνου. Αυτό φαίνεται πιο προφανώς σε μακροσκοπική κλίμακα. Όταν η φωτιά καίει ξύλα, τα εξατμίζει και τα μετατρέπει σε καπνό. Δεν βλέπουμε ποτέ τον καπνό να συμπυκνώνεται σε ένα συμπαγές ξύλο. Ομοίως, βλέπουμε μόνο μια μπάλα να περνάει μέσα από ένα παράθυρο και να την κάνει να θρυμματίζεται σε πολλά κομμάτια, ποτέ δεν βλέπουμε την μπάλα να ταξιδεύει μέσα από ένα σπασμένο παράθυρο και να επανασυναρμολογείται. Με άλλα λόγια, ο δεύτερος νόμος είναι αυτός που μας επιτρέπει να διακρίνουμε τη χρονική κατεύθυνση μιας συγκεκριμένης διαδικασίας. Η κατεύθυνση που δείχνει αύξηση της εντροπίας είναι προς την κατεύθυνση του παρελθόντος προς το μέλλον. Οι φυσικοί προσπάθησαν να επινοήσουν πειράματα και πειράματα σκέψης για να βρουν ένα ελάττωμα στον δεύτερο νόμο, αλλά χωρίς αποτέλεσμα μέχρι στιγμής.
Κατά τη μελέτη μικροσκοπικών συστημάτων, οι παραπάνω παρατηρήσεις δεν είναι τόσο σαφείς. Όταν παρακολουθείτε ένα μεμονωμένο σωματίδιο καπνού να πέφτει στον αέρα, είναι δύσκολο να καταλάβετε εάν το βίντεο παίζει προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Μόνο όταν παρατηρείτε το νέφος αερίου σε μακροσκοπική κλίμακα γίνεται εμφανής η εντροπία. Θα ήταν αστρονομικά απίθανο όλα τα σωματίδια αερίου να τείνουν να συγκεντρώνονται αντί να διαχέονται σε ένα χώρο, αλλά δεν μπορείτε να κάνετε αυτή την κρίση κοιτάζοντας απλώς τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου.
Εντροπία και κβαντικά συστήματα
Το πρόβλημα του προσδιορισμού ενός χρονικού βέλους είναι δύσκολο στα κβαντομηχανικά συστήματα για πολλούς λόγους. Πρωταρχικό μεταξύ αυτών είναι το γεγονός ότι τα κβαντικά συστήματα επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τη διαδικασία μέτρησης. Σε αντίθεση με τα μακροσκοπικά συστήματα στα οποία τα αποτελέσματα της μέτρησης είναι αμελητέα, τα κβαντικά συστήματα είναι τόσο μικρά και ασταθή που η ίδια η πράξη της μέτρησης προκαλεί αλλαγές στο σύστημα. Δεύτερον, οι κβαντικές μετρήσεις από τη φύση τους είναι πιθανολογικές. Οποιοδήποτε μοντέλο κβαντικού συστήματος δεν μπορεί να προβλέψει με ακριβή ακρίβεια τη θέση ή την ορμή οποιουδήποτε δεδομένου σωματιδίου. μπορεί να δώσει μόνο την πιθανότητα ότι ένα σωματίδιο θα μετρηθεί με μια συγκεκριμένη θέση ή ορμή.
Ωστόσο, υπάρχει τρόπος να ξεπεραστούν αυτά τα ζητήματα. Είναι δυνατό να μοντελοποιήσουμε την τροχιά ενός κβαντικού συστήματος μετρώντας τις έμμεσες επιπτώσεις που έχει στο περιβάλλον. Παρατηρώντας τις στατιστικές αλλαγές στο περιβάλλον γύρω από τα κβαντικά συστήματα, οι επιστήμονες μπορούν να εργαστούν προς τα πίσω για να δημιουργήσουν ένα μοντέλο της τροχιάς ενός κβαντικού συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ότι είναι έμμεσο και δεν επιτυγχάνεται με άμεση αλληλεπίδραση με το κβαντικό σύστημα. Έτσι, οι πληροφορίες που περιέχονται στο κβαντικό σύστημα δεν καταστρέφονται μέσω μιας διαδικασίας άμεσης μέτρησης.
Προχωρά λοιπόν η υπό εξέταση μελέτη. Το πείραμα των ερευνητών προχώρησε δημιουργώντας ένα απλό κβαντικό σύστημα που αποτελείται από ένα qubit που ταλαντώνεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Διεγείροντας τον πειραματικό θάλαμο με μικροκύματα και μετρώντας τη διαταραχή τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν την κατάσταση του qubit υπολογίζοντας τη μετατόπιση φάσης που εξαρτιόταν από την αρχική κατάσταση των qubits. Αφού μέτρησαν την κατάσταση του καθετήρα μικροκυμάτων, οι επιστήμονες ψηφιοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να λάβουν ένα σύνολο διακριτών μετρήσεων για μια χρονική περίοδο. Χρησιμοποιώντας αυτές τις ψηφιοποιημένες μετρήσεις χρονικού βήματος, οι ερευνητές μπόρεσαν να συμπεράνουν την κατάσταση qubit κομμάτι-κομμάτι και να κατασκευάσουν ένα μοντέλο που αντιπροσωπεύει τη συνεχή τροχιά του qubit με την πάροδο του χρόνου.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές πήραν το κατασκευασμένο μοντέλο qubit τους και υπολόγισαν τις διαφορετικές καταστάσεις εντροπίας του κβαντικού συστήματος διατεταγμένες προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο. Οι ολικές τιμές εντροπίας αυτών των διατεταγμένων ακολουθιών κβαντικών καταστάσεων συμβολίστηκαν Q όπου μια θετική Ε (περισσότερη εντροπία) υποδηλώνει μια τροχιά προς τα εμπρός στο χρόνο και μια αρνητική Q (λιγότερη εντροπία) σημαίνει μια τροχιά προς τα πίσω στο χρόνο.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές δημιούργησαν μια προσομοίωση ενός κβαντικού πειράματος μεταξύ τριών παρατηρητών, της Alice, του Bob και του Charlie. Εκτελώντας το πείραμα χρησιμοποιώντας έναν αριθμό διαφορετικών αρχικών καταστάσεων και διαδικασιών μέτρησης που υπόκεινται σε διαφορετικές παραμέτρους, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν ότι οι αρνητικές τιμές του Q (λιγότερη εντροπία) ήταν πιο πιθανό να εμφανιστούν για μικρές αριθμητικές τιμές του Q . Αυτό αντιστοιχεί στο γνωστό γεγονός ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις μπορεί μερικές φορές να προκαλέσουν πολύ μικρές μειώσεις στην εντροπία. Ωστόσο, οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι για μεγάλες τιμές του Q , που αντιστοιχεί στην εξέλιξη του Q για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, Q Οι τιμές ήταν πιο πιθανό να είναι θετικές, υποδηλώνοντας αυξημένη εντροπία. Με άλλα λόγια, σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, ένα κβαντικό σύστημα είναι πιθανό να εμφανίσει συμπεριφορά σύμφωνα με θετικές τιμές του Q .
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η εξήγηση για αυτό το εύρημα είναι ότι οι υπολογισμοί σχετικά με την κβαντική διαταραχή γενικά δεν επηρεάζουν την επίδραση των αρχικών συνθηκών στην εξέλιξη των κβαντικών συστημάτων. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η αρχική κατάσταση τοποθετεί ένα χαμηλότερο όριο στις πιθανές τιμές του Q . Αυτή η ευαισθησία στις αρχικές συνθήκες είναι συνέπεια της απίθανης επίτευξης μιας ορισμένης αρχικής κατάστασης. Για να βάλουμε διαφορετικά το σημείο, αρχικές τιμές για το Q στην οποία η χρονική εξέλιξη του Q είναι πιθανό να είναι αρνητικό αντιστοιχεί σε καταστάσεις όπου η αρχική κατάσταση του κβαντικού συστήματος είναι από μόνη της απίθανη. Δεδομένου ότι αυτές οι αρχικές καταστάσεις είναι σχετικά απίθανες, προκύπτει ότι η συνολική εξέλιξη του συστήματος θα τείνει προς θετικές τιμές του Q . Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα αποτελέσματα δείχνουν «ότι ένα στατιστικό βέλος του χρόνου αναδύεται θεμελιωδώς στην κβαντική μέτρηση, όπου οι πληροφορίες και η αντίδραση προκύπτουν από εμπλοκή με ένα κυμαινόμενο περιβάλλον».
Κατάσταση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρεται μερικές φορές ως «στατιστικός νόμος», που σημαίνει ότι είναι μια καθολική γενίκευση που προκύπτει από ένα θεμελιωδώς στατιστικό γεγονός. Για ένα αρκετά μεγάλο σύστημα, η συντριπτική πλειοψηφία των πιθανών καταστάσεων στις οποίες θα μπορούσε να βρίσκεται το σύστημα είναι καταστάσεις όπου η εντροπία είναι μεγαλύτερη από την αρχική κατάσταση. Επομένως, οποιαδήποτε αλλαγή στο σύστημα είναι πιθανό να το μετακινήσει από την αρχική κατάσταση προς μια κατάσταση μεγαλύτερης εντροπίας.
Το ερώτημα για τους επιστήμονες ήταν αν αυτή η γενίκευση επεκτείνεται στον μικροσκοπικό κβαντικό κόσμο. Η τρέχουσα μελέτη δείχνει ότι είναι δυνατό να δοθεί ένας χαρακτηρισμός του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής που είναι εφαρμόσιμος στα κβαντικά συστήματα, αν και απαιτεί μερικές εννοιολογικές αναθεωρήσεις. Συγκεκριμένα, είναι δύσκολο να διαχωριστεί ένα κβαντικό σύστημα από το περιβάλλον του. Τα κβαντικά συστήματα από τη φύση τους αντιστέκονται στην αυστηρή απομόνωση. Στην πραγματικότητα, μέρος αυτού που σημαίνει να είσαι κβαντικό σύστημα έχει να κάνει με τις αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον με τη μορφή κβαντικής εμπλοκής. Η τρέχουσα μελέτη δείχνει ότι λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση του περιβάλλοντος σε ένα κβαντικό σύστημα, είναι δυνατό να ανακτηθεί μια έκδοση του στατιστικού νόμου της εντροπίας στο πλαίσιο των κβαντικών συστημάτων.
