Το βέλος του Time Traced στην Κβαντική Πηγή

Ο καφές κρυώνει, τα κτίρια θρυμματίζονται, τα αυγά σπάνε και τα αστέρια ξεχύνονται σε ένα σύμπαν που φαίνεται προορισμένο να υποβαθμιστεί σε μια κατάσταση ομοιόμορφης ατονίας γνωστή ως θερμική ισορροπία. Ο αστρονόμος-φιλόσοφος Sir Arthur Eddington το 1927 ανέφερε τη σταδιακή διασπορά της ενέργειας ως απόδειξη ενός μη αναστρέψιμου «βέλους του χρόνου».

Αλλά προς σύγχυση γενεών φυσικών, το βέλος του χρόνου δεν φαίνεται να προκύπτει από τους υποκείμενους νόμους της φυσικής, οι οποίοι λειτουργούν το ίδιο προς τα εμπρός στο χρόνο όπως και στην αντίστροφη. Σύμφωνα με αυτούς τους νόμους, φαινόταν ότι αν κάποιος ήξερε τα μονοπάτια όλων των σωματιδίων στο σύμπαν και τα αναποδογυρίσει, η ενέργεια θα συσσωρευόταν αντί να διασκορπιστεί:ο χλιαρός καφές θα ζεσταινόταν αυθόρμητα, τα κτίρια θα σηκώνονταν από τα ερείπια τους και το φως του ήλιου θα ξαναγλιστρούσε. ο ήλιος.

«Στην κλασική φυσική, δυσκολευόμασταν», είπε ο Sandu Popescu, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Αν ήξερα περισσότερα, θα μπορούσα να αντιστρέψω το συμβάν, να συγκεντρώσω όλα τα μόρια του αυγού που έσπασε; Γιατί είμαι σχετικός;»

Σίγουρα, είπε, το βέλος του χρόνου δεν κατευθύνεται από την ανθρώπινη άγνοια. Και όμως, από τη γέννηση της θερμοδυναμικής στη δεκαετία του 1850, η μόνη γνωστή προσέγγιση για τον υπολογισμό της εξάπλωσης της ενέργειας ήταν να διατυπωθούν στατιστικές κατανομές των άγνωστων τροχιών των σωματιδίων και να δείξουμε ότι, με την πάροδο του χρόνου, η άγνοια λέρωσε τα πράγματα.

Τώρα, οι φυσικοί αποκαλύπτουν μια πιο θεμελιώδη πηγή για το βέλος του χρόνου:Η ενέργεια διασκορπίζεται και τα αντικείμενα εξισορροπούνται, λένε, λόγω του τρόπου με τον οποίο τα στοιχειώδη σωματίδια συμπλέκονται όταν αλληλεπιδρούν — ένα παράξενο φαινόμενο που ονομάζεται «κβαντική εμπλοκή».

«Τέλος, μπορούμε να καταλάβουμε γιατί ένα φλιτζάνι καφέ ισορροπεί σε ένα δωμάτιο», είπε ο Tony Short, κβαντικός φυσικός στο Μπρίστολ. "Συσσωρεύεται μπλέξιμο μεταξύ της κατάστασης του φλιτζανιού καφέ και της κατάστασης του δωματίου."

Ο Popescu, ο Short και οι συνάδελφοί τους Noah Linden και Andreas Winter ανέφεραν την ανακάλυψη στο περιοδικό Physical Review E το 2009, υποστηρίζοντας ότι τα αντικείμενα φτάνουν σε ισορροπία, ή σε κατάσταση ομοιόμορφης κατανομής ενέργειας, μέσα σε άπειρο χρονικό διάστημα με το να μπλέκονται κβαντομηχανικά με τους περιβαλλοντας ΧΩΡΟΣ. Παρόμοια αποτελέσματα από τον Peter Reimann του Πανεπιστημίου του Bielefeld στη Γερμανία εμφανίστηκαν αρκετούς μήνες νωρίτερα στο Physical Review Letters. Ο Short και ένας συνεργάτης ενίσχυσαν το επιχείρημα το 2012 δείχνοντας ότι η εμπλοκή προκαλεί εξισορρόπηση μέσα σε ένα πεπερασμένο χρόνο. Και, στην εργασία που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arXiv.org τον Φεβρουάριο, δύο ξεχωριστές ομάδες έκαναν το επόμενο βήμα, υπολογίζοντας ότι τα περισσότερα φυσικά συστήματα ισορροπούν γρήγορα, σε χρονικές κλίμακες ανάλογες με το μέγεθός τους. "Για να δείξουμε ότι είναι σχετικό με τον πραγματικό φυσικό μας κόσμο, οι διαδικασίες πρέπει να συμβαίνουν σε εύλογες χρονικές κλίμακες", είπε ο Short.

Η τάση του καφέ - και οτιδήποτε άλλο - να φτάσει σε ισορροπία είναι "πολύ διαισθητική", δήλωσε ο Nicolas Brunner, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. "Αλλά όταν πρόκειται να εξηγήσουμε γιατί συμβαίνει, αυτή είναι η πρώτη φορά που προκύπτει σε σταθερούς λόγους εξετάζοντας μια μικροσκοπική θεωρία."

Εάν η νέα γραμμή έρευνας είναι σωστή, τότε η ιστορία του βέλους του χρόνου ξεκινά με την κβαντομηχανική ιδέα ότι, κατά βάθος, η φύση είναι εγγενώς αβέβαιη. Ένα στοιχειώδες σωματίδιο δεν έχει καθορισμένες φυσικές ιδιότητες και ορίζεται μόνο από τις πιθανότητες να βρίσκεται σε διάφορες καταστάσεις. Για παράδειγμα, σε μια συγκεκριμένη στιγμή, ένα σωματίδιο μπορεί να έχει 50 τοις εκατό πιθανότητα να περιστραφεί δεξιόστροφα και 50 τοις εκατό να περιστρέφεται αριστερόστροφα. Ένα πειραματικά ελεγμένο θεώρημα από τον βορειοϊρλανδό φυσικό John Bell λέει ότι δεν υπάρχει «αληθινή» κατάσταση του σωματιδίου. οι πιθανότητες είναι η μόνη πραγματικότητα που μπορεί να της αποδοθεί.

Η κβαντική αβεβαιότητα οδηγεί στη συνέχεια σε εμπλοκή, την υποτιθέμενη πηγή του βέλους του χρόνου.

Όταν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν, δεν μπορούν πλέον να περιγραφούν με τις δικές τους, ανεξάρτητα εξελισσόμενες πιθανότητες, που ονομάζονται «καθαρές καταστάσεις». Αντίθετα, γίνονται μπερδεμένα συστατικά μιας πιο περίπλοκης κατανομής πιθανοτήτων που περιγράφει και τα δύο σωματίδια μαζί. Μπορεί να υπαγορεύει, για παράδειγμα, ότι τα σωματίδια περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Το σύστημα στο σύνολό του είναι σε καθαρή κατάσταση, αλλά η κατάσταση κάθε μεμονωμένου σωματιδίου είναι «ανάμεικτη» με αυτή της γνωριμίας του. Τα δύο θα μπορούσαν να ταξιδέψουν σε απόσταση ετών φωτός μεταξύ τους και η περιστροφή του καθενός θα παρέμενε σε συσχέτιση με αυτή του άλλου, ένα χαρακτηριστικό που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν περιέγραψε περίφημα ως «απόκοσμη δράση σε απόσταση».

«Η εμπλοκή είναι κατά κάποια έννοια η ουσία της κβαντικής μηχανικής», ή οι νόμοι που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις στην υποατομική κλίμακα, είπε ο Brunner. Το φαινόμενο βασίζεται στους κβαντικούς υπολογιστές, την κβαντική κρυπτογραφία και την κβαντική τηλεμεταφορά.

Η ιδέα ότι η εμπλοκή μπορεί να εξηγήσει το βέλος του χρόνου εμφανίστηκε για πρώτη φορά στον Seth Lloyd πριν από περίπου 30 χρόνια, όταν ήταν 23χρονος μεταπτυχιακός φοιτητής φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ με πτυχίο φυσικής στο Χάρβαρντ. Ο Lloyd συνειδητοποίησε ότι η κβαντική αβεβαιότητα και ο τρόπος με τον οποίο εξαπλώνεται καθώς τα σωματίδια μπλέκονται όλο και περισσότερο, θα μπορούσε να αντικαταστήσει την ανθρώπινη αβεβαιότητα στις παλιές κλασικές αποδείξεις ως την αληθινή πηγή του βέλους του χρόνου.

Χρησιμοποιώντας μια σκοτεινή προσέγγιση στην κβαντική μηχανική που αντιμετώπιζε τις μονάδες πληροφοριών ως τα βασικά δομικά στοιχεία της, ο Lloyd πέρασε αρκετά χρόνια μελετώντας την εξέλιξη των σωματιδίων με όρους ανακάτεμα 1 και 0. Βρήκε ότι καθώς τα σωματίδια μπλέκονταν όλο και περισσότερο το ένα με το άλλο, οι πληροφορίες που τα περιέγραφαν αρχικά (ένα «1» για δεξιόστροφη περιστροφή και ένα «0» για αριστερόστροφα, για παράδειγμα) θα μετατοπίζονταν για να περιγράψουν το σύστημα των μπλεγμένων σωματιδίων στο σύνολό του. . Ήταν σαν τα σωματίδια να έχασαν σταδιακά την ατομική τους αυτονομία και έγιναν πιόνια του συλλογικού κράτους. Τελικά, οι συσχετίσεις περιείχαν όλες τις πληροφορίες και τα μεμονωμένα σωματίδια δεν περιείχαν καμία. Σε εκείνο το σημείο, ανακάλυψε ο Lloyd, τα σωματίδια έφτασαν σε κατάσταση ισορροπίας και οι καταστάσεις τους σταμάτησαν να αλλάζουν, όπως ο καφές που έχει κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου.

«Αυτό που πραγματικά συμβαίνει είναι ότι τα πράγματα συσχετίζονται περισσότερο μεταξύ τους», θυμάται ο Lloyd ότι συνειδητοποίησε. "Το βέλος του χρόνου είναι ένα βέλος αυξανόμενων συσχετισμών."

Η ιδέα, που παρουσιάστηκε στη διδακτορική του διατριβή το 1988, έπεσε στο κενό. Όταν το υπέβαλε σε ένα περιοδικό, του είπαν ότι «δεν υπήρχε φυσική σε αυτό το άρθρο». Η θεωρία της κβαντικής πληροφορίας «ήταν βαθιά μη δημοφιλής» εκείνη την εποχή, είπε ο Λόιντ, και οι ερωτήσεις σχετικά με το βέλος του χρόνου «ήταν για τσαμπουκά και βραβευμένους με Νόμπελ που έχουν μπερδευτεί», θυμάται να του είπε ένας φυσικός.

«Ήμουν πολύ κοντά στο να οδηγήσω ένα ταξί», είπε ο Lloyd.

Οι πρόοδοι στον κβαντικό υπολογισμό έχουν από τότε μετατρέψει την κβαντική θεωρία πληροφοριών σε έναν από τους πιο ενεργούς κλάδους της φυσικής. Ο Λόιντ είναι τώρα καθηγητής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, που αναγνωρίζεται ως ένας από τους ιδρυτές του κλάδου, και η ιδέα του που παραβλέπεται έχει επανεμφανιστεί με ισχυρότερη μορφή στα χέρια των φυσικών του Μπρίστολ. Οι νεότερες αποδείξεις είναι πιο γενικές, λένε οι ερευνητές, και ισχύουν για σχεδόν οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα.

«Όταν ο Λόιντ πρότεινε την ιδέα στη διατριβή του, ο κόσμος δεν ήταν έτοιμος», δήλωσε ο Ρενάτο Ρένερ, επικεφαλής του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής στο ETH Ζυρίχης. «Κανείς δεν το κατάλαβε. Μερικές φορές πρέπει να έχεις την ιδέα την κατάλληλη στιγμή.”

Το 2009, η απόδειξη της ομάδας του Μπρίστολ είχε απήχηση στους θεωρητικούς της κβαντικής πληροφορίας, ανοίγοντας νέες χρήσεις για τις τεχνικές τους. Έδειξε ότι καθώς τα αντικείμενα αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους - καθώς τα σωματίδια σε ένα φλιτζάνι καφέ συγκρούονται με τον αέρα, για παράδειγμα - οι πληροφορίες για τις ιδιότητές τους «διαρρέουν και λερώνονται σε ολόκληρο το περιβάλλον», εξήγησε ο Ποπέσκου. Αυτή η τοπική απώλεια πληροφοριών προκαλεί στασιμότητα της κατάστασης του καφέ, ακόμη και όταν η καθαρή κατάσταση ολόκληρου του δωματίου συνεχίζει να εξελίσσεται. Εκτός από σπάνιες, τυχαίες διακυμάνσεις, είπε, «η κατάστασή του σταματά να αλλάζει με τον καιρό».

Κατά συνέπεια, ένα χλιαρό φλιτζάνι καφέ δεν ζεσταίνεται αυθόρμητα. Κατ' αρχήν, καθώς εξελίσσεται η καθαρή κατάσταση του δωματίου, ο καφές θα μπορούσε ξαφνικά να μην αναμιχθεί από τον αέρα και να εισέλθει σε μια καθαρή κατάσταση από μόνος του. Αλλά υπάρχουν τόσες περισσότερες μικτές καταστάσεις από τις καθαρές διαθέσιμες για τον καφέ που αυτό πρακτικά δεν συμβαίνει ποτέ - θα έπρεπε να ζήσει κανείς περισσότερο από το σύμπαν για να το δει. Αυτή η στατιστική απιθανότητα δίνει στο βέλος του χρόνου την εμφάνιση μη αναστρέψιμης. «Ουσιαστικά η εμπλοκή σου ανοίγει έναν πολύ μεγάλο χώρο», είπε ο Ποπέσκου. «Είναι σαν να είσαι στο πάρκο και ξεκινάς δίπλα στην πύλη, μακριά από την ισορροπία. Μετά μπαίνεις και έχεις αυτό το τεράστιο μέρος και χάνεσαι μέσα σε αυτό. Και δεν επιστρέφεις ποτέ στην πύλη."

Στη νέα ιστορία του βέλους του χρόνου, είναι η απώλεια πληροφοριών μέσω της κβαντικής εμπλοκής, και όχι η υποκειμενική έλλειψη ανθρώπινης γνώσης, που οδηγεί ένα φλιτζάνι καφέ σε ισορροπία με το περιβάλλον δωμάτιο. Το δωμάτιο τελικά ισορροπεί με το εξωτερικό περιβάλλον και το περιβάλλον παρασύρεται ακόμη πιο αργά προς την ισορροπία με το υπόλοιπο σύμπαν. Οι γίγαντες της θερμοδυναμικής του 19ου αιώνα θεώρησαν αυτή τη διαδικασία ως μια σταδιακή διασπορά της ενέργειας που αυξάνει τη συνολική εντροπία, ή αταξία, του σύμπαντος. Σήμερα, ο Λόιντ, ο Ποπέσκου και άλλοι στον τομέα τους βλέπουν διαφορετικά το βέλος του χρόνου. Κατά την άποψή τους, οι πληροφορίες διαχέονται ολοένα και περισσότερο, αλλά ποτέ δεν εξαφανίζονται εντελώς. Έτσι, υποστηρίζουν, αν και η εντροπία αυξάνεται τοπικά, η συνολική εντροπία του σύμπαντος παραμένει σταθερή στο μηδέν.

«Το σύμπαν στο σύνολό του είναι σε καθαρή κατάσταση», είπε ο Lloyd. "Αλλά μεμονωμένα κομμάτια του, επειδή είναι μπλεγμένα με το υπόλοιπο σύμπαν, είναι σε μείγματα."

Μια πτυχή του βέλους του χρόνου παραμένει άλυτη. «Δεν υπάρχει τίποτα σε αυτά τα έργα που να λέει γιατί ξεκινήσατε από την πύλη», είπε ο Ποπέσκου, αναφερόμενος στην αναλογία του πάρκου. «Με άλλα λόγια, δεν εξηγούν γιατί η αρχική κατάσταση του σύμπαντος ήταν μακριά από την ισορροπία». Είπε ότι αυτή είναι μια ερώτηση σχετικά με τη φύση της Μεγάλης Έκρηξης.

Παρά την πρόσφατη πρόοδο στον υπολογισμό των χρονικών κλιμάκων εξισορρόπησης, η νέα προσέγγιση δεν έχει ακόμη σημειώσει πρόοδο ως εργαλείο για την ανάλυση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων πραγμάτων, όπως ο καφές, το γυαλί ή οι εξωτικές καταστάσεις της ύλης. (Αρκετοί παραδοσιακοί θερμοδυναμικοί ανέφεραν ότι είχαν αόριστη επίγνωση της νέας προσέγγισης.) «Το θέμα είναι να βρούμε τα κριτήρια για τα οποία τα πράγματα συμπεριφέρονται σαν τζάμι και ποια πράγματα συμπεριφέρονται σαν ένα φλιτζάνι τσάι», είπε ο Ρένερ. "Θα έβλεπα τις νέες εφημερίδες ως ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, αλλά πρέπει να γίνουν πολύ περισσότερα."

Ορισμένοι ερευνητές εξέφρασαν αμφιβολίες ότι αυτή η αφηρημένη προσέγγιση της θερμοδυναμικής θα ανταποκριθεί ποτέ στο έργο της «δυσκολίας του πώς συμπεριφέρονται συγκεκριμένα παρατηρήσιμα στοιχεία», όπως το έθεσε ο Lloyd. Αλλά η εννοιολογική πρόοδος και ο νέος μαθηματικός φορμαλισμός ήδη βοηθά τους ερευνητές να αντιμετωπίσουν θεωρητικά ερωτήματα σχετικά με τη θερμοδυναμική, όπως τα θεμελιώδη όρια των κβαντικών υπολογιστών και ακόμη και την τελική μοίρα του σύμπαντος.

«Σκεφτόμαστε όλο και περισσότερο τι μπορούμε να κάνουμε με τις κβαντικές μηχανές», δήλωσε ο Paul Skrzypczyk του Ινστιτούτου Φωτονικών Επιστημών στη Βαρκελώνη. «Δεδομένου ότι ένα σύστημα δεν βρίσκεται ακόμη σε ισορροπία, θέλουμε να το κάνουμε. Πόση χρήσιμη εργασία μπορούμε να εξαγάγουμε; Πώς μπορώ να παρέμβω για να κάνω κάτι ενδιαφέρον;»

Ο Sean Carroll, ένας θεωρητικός κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, χρησιμοποιεί τον νέο φορμαλισμό στην τελευταία του εργασία για το βέλος του χρόνου στην κοσμολογία. «Με ενδιαφέρει η εξαιρετικά μακροπρόθεσμη μοίρα των κοσμολογικών χωροχρόνων», είπε ο Carroll, συγγραφέας του «From Eternity to Here:The Quest for the Ultimate Theory of Time». "Αυτή είναι μια κατάσταση όπου δεν γνωρίζουμε πραγματικά όλους τους σχετικούς νόμους της φυσικής, επομένως είναι λογικό να σκεφτόμαστε σε ένα πολύ αφηρημένο επίπεδο, γι' αυτό βρήκα χρήσιμη αυτή τη βασική κβαντομηχανική επεξεργασία."

Είκοσι έξι χρόνια μετά την πτώση της μεγάλης ιδέας του Lloyd για το βέλος του χρόνου, είναι στην ευχάριστη θέση να παρακολουθεί την άνοδό του και εφαρμόζει τις ιδέες στην πρόσφατη εργασία για το παράδοξο πληροφοριών της μαύρης τρύπας. "Νομίζω ότι τώρα η συναίνεση θα ήταν ότι υπάρχει φυσική σε αυτό", είπε.

Για να μην αναφέρουμε λίγη φιλοσοφία.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η ικανότητά μας να θυμόμαστε το παρελθόν αλλά όχι το μέλλον, μια άλλη ιστορικά μπερδεμένη εκδήλωση του βέλους του χρόνου, μπορεί επίσης να γίνει κατανοητή ως συσσώρευση συσχετισμών μεταξύ αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Όταν διαβάζετε ένα μήνυμα σε ένα κομμάτι χαρτί, ο εγκέφαλός σας συσχετίζεται με αυτό μέσω των φωτονίων που φτάνουν στα μάτια σας. Μόνο από εκείνη τη στιγμή θα μπορείτε να θυμάστε τι λέει το μήνυμα. Όπως το έθεσε ο Lloyd:«Το παρόν μπορεί να οριστεί από τη διαδικασία συσχέτισης με το περιβάλλον μας».

Το σκηνικό για τη σταθερή ανάπτυξη της εμπλοκής σε όλο το σύμπαν είναι, φυσικά, ο ίδιος ο χρόνος. Οι φυσικοί τονίζουν ότι παρά τις μεγάλες προόδους στην κατανόηση του πώς συμβαίνουν οι αλλαγές στο χρόνο, δεν έχουν σημειώσει καμία πρόοδο στην αποκάλυψη της ίδιας της φύσης του χρόνου ή γιατί φαίνεται διαφορετικός (τόσο αντιληπτικά όσο και στις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής) από τις τρεις διαστάσεις του χώρου. Ο Ποπέσκου το αποκαλεί "ένα από τα μεγαλύτερα άγνωστα στη φυσική."

«Μπορούμε να συζητήσουμε το γεγονός ότι πριν από μια ώρα, ο εγκέφαλός μας ήταν σε μια κατάσταση που συσχετίστηκε με λιγότερα πράγματα», είπε. «Αλλά η αντίληψή μας ότι ο χρόνος κυλάει - αυτό είναι ένα εντελώς διαφορετικό θέμα. Πιθανότατα, θα χρειαστούμε μια περαιτέρω επανάσταση στη φυσική που θα μας πει για αυτό.”