Czas płynie w jednym kierunku: do przodu. Mali chłopcy stają się starcami, ale nie odwrotnie; filiżanki pękają, ale nigdy nie spontanicznie się składają. Ta okrutna i niezmienna właściwość wszechświata, zwana „strzałą czasu”, jest zasadniczo konsekwencją drugiego prawa termodynamiki, które nakazuje, że systemy z czasem będą coraz bardziej nieuporządkowane. Ale ostatnio naukowcy z USA i Rosji nieco zgięli tę strzałę - przynajmniej w przypadku cząstek subatomowych.
W nowym badaniu, opublikowanym we wtorek (12 marca) w czasopiśmie Scientific Reports, badacze manipulowali strzałką czasu za pomocą bardzo małego komputera kwantowego zbudowanego z dwóch cząstek kwantowych, zwanych kubitami, który przeprowadzał obliczenia.
W skali subatomowej, gdzie rządzą dziwne reguły mechaniki kwantowej, fizycy opisują stan układów za pomocą konstrukcji matematycznej zwanej funkcją falową. Ta funkcja wyraża wszystkie możliwe stany, w których może znajdować się system - nawet w przypadku cząstki, wszystkie możliwe lokalizacje, w których mógłby się znajdować - i prawdopodobieństwo, że system znajdzie się w którymkolwiek z tych stanów w danym momencie . Zasadniczo w miarę upływu czasu rozkładają się funkcje falowe; możliwa lokalizacja cząsteczki może być dalej, jeśli poczekasz godzinę niż 5 minut.
Cofnięcie rozprzestrzeniania się funkcji falowania jest jak próba włożenia rozlanego mleka z powrotem do butelki. Ale właśnie tego dokonali naukowcy w tym nowym eksperymencie.
„Zasadniczo nie ma takiej szansy” - powiedział Live Science, główny badacz Valerii Vinokur, fizyk z Argonne National Laboratory w Illinois. „To tak mówi, że jeśli dasz małpie maszynę do pisania i dużo czasu, może napisać Szekspir.” Innymi słowy, jest to technicznie możliwe, ale tak mało prawdopodobne, że równie dobrze może być niemożliwe.
Jak naukowcy sprawili, że stało się to zasadniczo niemożliwe? Ostrożnie kontrolując eksperyment.
„Naprawdę potrzebujesz dużej kontroli, aby wszystkie zepsute filiżanki ponownie się ze sobą łączyć” - powiedział Live Science Stephen Bartlett, profesor fizyki na Uniwersytecie w Sydney. Bartlett nie był zaangażowany w badanie. „Musisz mieć dużą kontrolę nad systemem, aby to zrobić… a komputer kwantowy pozwala nam mieć ogromną kontrolę nad symulowanym systemem kwantowym”.
Naukowcy wykorzystali komputer kwantowy do symulacji pojedynczej cząstki, której funkcja falowa rozprzestrzeniała się w czasie jak tętnienie w stawie. Następnie napisali algorytm w komputerze kwantowym, który odwrócił ewolucję czasową każdego pojedynczego elementu funkcji falowej, zasadniczo ściągając tę falę z powrotem do cząstki, która ją stworzyła. Dokonali tego wyczynu bez zwiększania entropii lub nieporządku w innym miejscu we wszechświecie, pozornie przeciwstawiając się strzale czasu.
Czy to oznacza, że naukowcy stworzyli wehikuł czasu? Czy naruszyli prawa fizyki? Odpowiedź jest przecząca na oba te pytania. Druga zasada termodynamiki mówi, że porządek wszechświata musi maleć z czasem, ale nie że nigdy nie może pozostać taki sam w bardzo szczególnych przypadkach. Ten eksperyment był wystarczająco mały, wystarczająco krótki i wystarczająco kontrolowany, aby wszechświat nie zyskał ani nie stracił energii.
„Wysyłanie fal z powrotem do stawu jest bardzo skomplikowane i skomplikowane”, gdy już zostały utworzone, powiedział Vinokur, „ale widzieliśmy, że jest to możliwe w świecie kwantowym, w bardzo prostym przypadku”. Innymi słowy, było to możliwe, gdy użyli kontroli przekazanej im przez komputer kwantowy, aby cofnąć efekt czasu.
Po uruchomieniu programu system powrócił do pierwotnego stanu w 85 procentach przypadków. Jednak gdy wprowadzono trzeci kubit, eksperyment zakończył się powodzeniem tylko w 50 procentach przypadków. Naukowcy stwierdzili, że złożoność układu prawdopodobnie wzrosła zbytnio w przypadku trzeciego kubitu, co utrudnia komputerowi kwantowemu utrzymanie kontroli nad wszystkimi aspektami systemu. Bez tej kontroli entropii nie można kontrolować, dlatego odwrócenie czasu jest niedoskonałe. Mimo to, dążą do większych systemów i większych komputerów kwantowych na następne kroki, Vinokur powiedział Live Science.
„Praca stanowi niezły wkład w podstawy fizyki” - powiedział Live Science James Whitfield, profesor fizyki w Dartmouth College w New Hampshire, który nie był zaangażowany w badania. „Przypomina nam, że nie wszystkie zastosowania obliczeń kwantowych muszą być zorientowane na aplikacje, aby były interesujące”.
„Właśnie dlatego budujemy komputery kwantowe” - powiedział Bartlett. „To demonstracja, że komputery kwantowe pozwalają nam symulować rzeczy, które nie powinny mieć miejsca w prawdziwym świecie”.
