Nowa teoria kwantowa może wyjaśniać upływ czasu

Pojęcie tzw. strzałki czasu zostało wprowadzone w 1927 roku przez brytyjskiego astrofizyka, Arthura Eddingtona. Strzałka ta oznacza nic innego, jak czas, który zawsze upływa w jednym kierunku, tj. od przeszłości do przyszłości i proces ten nie może zostać odwrócony.

Zjawiska takie jak stygnięcie kawy czy zawalanie się budynków, są czymś zupełnie normalnym. Jednak gdyby tak odwrócić wszystkie prawa fizyki, energia zaczęłaby się kumulować, zamiast rozpraszać. W związku z tym, zimna kawa nagrzewałaby się, a budynki powstawałyby z ruin. Jednak nowa teoria kwantowa, opracowana przez fizyków, może wyjaśniać upływ czasu. Twierdzą oni, że energia rozprasza się, a obiekty uzyskują równowagę ze względu na sposób, z jakim cząstki elementarne przeplatają się, gdy oddziałują na siebie. Jest to stan nazywany splątaniem kwantowym.

Sandu Popescu (e-mail: [email protected]), Tony Short (e-mail: [email protected]), Noah Linden (e-mail: [email protected]) i Andreas Winter (e-mail: [email protected]) opisali odkrycie w 2009 roku w czasopiśmie Physical Review E. Twierdzili oni, że obiekty osiągają równowagę, czyli stan jednolitej dystrybucji energii, w ciągu nieskończonej ilości czasu plątając się kwantowo z ich otoczeniem. W 2012 roku Tony Short udowodnił, iż plątanie się powoduje zrównoważenie w skończonym czasie. Natomiast w lutym tego roku, pojawiła się praca dwóch zespołów naukowych, które obliczyły, że większość fizycznych systemów równoważy się szybko - czas jest proporcjonalny do ich wielkości.

Jeśli kierunek badań jest prawidłowy, to zagadnienie strzałki czasu zaczyna się od idei mechaniki kwantowej, według której natura jest trudna do określenia. Cząstce elementarnej brakuje precyzyjnych właściwości fizycznych i jest określana tylko przez prawdopodobieństwo bycia w różnych stanach. Przykładowo w danej chwili, cząstki mogą mieć 50% szans, aby obracać się zgodnie ze wskazówkami zegara oraz 50%, aby obracać się w przeciwną stronę. Twierdzenie, które zostało poparte doświadczeniami przez fizyka Johna Bella głosi, że nie istnieje prawdziwy stan cząstki i pozostaje kierowanie się prawdopodobieństwem.

Kwantowa niepewność prowadzi następnie do splątania. Gdy dwie cząsteczki oddziałują na siebie, nie mogą one zostać określone nawet przez same siebie, niezależnie rozwijając prawdopodobieństwa, zwane stanem czystym. Zamiast tego, stają się splątanymi składnikami bardziej skomplikowanego rozkładu prawdopodobieństwa, które opisuje razem obie cząsteczki. Rozkład ten może decydować np. czy cząstki obracają się w przeciwnym kierunku.

System ten, jako całość, jest w stanie czystym, ale stan poszczególnych cząstek jest powiązany z tą drugą cząstką. Obie mogą podróżować na odległość wielu lat świetlnych od siebie, a spin każdej z nich pozostanie skorelowany z tą drugą. Albert Einstein nazwał to zjawisko „upiornym działaniem na odległość”.

26 lat temu, Seth Lloyd (e-mail: [email protected]) po raz pierwszy przedstawił teorię [PDF], według której splątanie może wyjaśniać strzałkę czasu. Naukowiec zdał sobie sprawę, że niepewność kwantowa oraz sposób, z jakim się rozprzestrzenia, gdy cząsteczki stają się coraz bardziej splątane, mogą być prawdziwym źródłem strzałki czasu.

Lloyd przez kilka lat studiował ewolucję cząstek w zakresie zmian zero-jedynkowych. Odkrył, że gdy cząstki stają się coraz bardziej splątane ze sobą, informacja która je pierwotnie opisywała, może zmienić się i opisywać układ splątanych cząsteczek jako całość. Ostatecznie, korelacje zawierały wszystkie informacje, ale poszczególne cząstki nie zawierały żadnych. Naukowiec odkrył, że w tym momencie cząsteczki dochodzą do stanu równowagi, a ich stany przestały się zmieniać. Jako przykład podano kawę, która schłodziła się do temperatury pokojowej.

W 2009 roku, zespół uczonych z Uniwersytetu w Bristolu (Popescu, Short, Linden i Winter) udowodnił, że gdy obiekt oddziaływuje z otoczeniem, przykładowo gdy cząsteczki z filiżanki kawy zderzają się z powietrzem, informacje o ich właściwościach „wyciekają” na zewnątrz i stają się „rozmazane” w całym środowisku. Utrata informacji powoduje, że stan kawy stagnuje, nawet gdy stan czysty całego pomieszczenia nadal ewoluuje. Popescu powiedział, że jej stan przestaje się zmieniać w czasie.

Gdy stan czysty pomieszczenia ewoluuje, kawa mogłaby nagle stać się niezmieszana z powietrzem i wprowadzić własny czysty stan. Jednak istnieje znacznie więcej stanów mieszanych niż stanów czystych, dostępnych dla kawy, przez co praktycznie nigdy się nie zdarzają. To statystyczne nieprawdopodobieństwo daje strzałce czasu wrażenie nieodwracalności.

Nowa teoria dotycząca strzałki czasu określa to jako utratę informacji poprzez splątanie kwantowe, które kieruje filiżankę kawy do równowagi z otaczającym ją pomieszczeniem. Ewentualnie pomieszczenie osiąga równowagę z otoczeniem zewnętrznym, a to z kolei kieruje się powoli ku równowadze z resztą Wszechświata. XIX-wieczni naukowcy, którzy zajmowali się termodynamiką, postrzegali ten proces jako stopniowe rozpraszanie energii, które zwiększa entropię Wszechświata.

Dziś fizycy uważają, że informacja staje się coraz bardziej rozproszona, lecz nigdy nie zanika całkowicie. Choć entropia wzrasta lokalnie, ich zdaniem ogólna entropia Wszechświata stale pozostaje na poziomie zera. Jednak jeden z aspektów, dotyczących strzałki czasu, pozostaje nierozwiązany. Popescu powiedział, że nie wyjaśnia ona, dlaczego stan początkowy Wszechświata był daleki od równowagi, sugerując, że należałoby wyjaśnić naturę Wielkiego Wybuchu.

Nowe podejście musi się jeszcze wykazać jako narzędzie do analizowania właściwości termodynamicznych konkretnych rzeczy, takich jak kawa, szkło czy egzotyczne stany materii. Chodzi o to, aby znaleźć kryteria opisujące rzeczy, które zachowują się przykładowo tak, jak filiżanka kawy. Niektórzy badacze wyrażają wątpliwość co do nowego podejścia, jednak rozwijanie się koncepcji oraz nowy formalizm matematyczny pomaga obecnie rozwiązywać teoretyczne pytania, dotyczące termodynamiki.

Uczeni twierdzą, że zdolność człowieka do zapamiętania przeszłości, ale nie przyszłości, również można rozumieć jako tworzenie się związków między oddziałującymi cząsteczkami. Gdy czytamy wiadomość na kartce papieru, mózg staje się skorelowany z nią za pośrednictwem fotonów, które docierają do oczu. Dopiero od tego momentu możemy zapamiętać, co mówi nam ta wiadomość.

Seth Lloyd powiedział, że teraźniejszość może być określona poprzez proces korelacji z naszym otoczeniem. „Możemy dyskutować o tym, że godzinę temu nasze mózgi były w stanie, który korelował z mniejszą ilością rzeczy. Ale nasz pogląd, że czas płynie - to zupełnie inna sprawa”. Jego zdaniem potrzebne będą kolejne rewolucje w dziedzinie fizyki, które to wszystko nam wyjaśnią.

John Moll

Fizycy twierdzą, że czas tak naprawdę nie istnieje - Źródło: TylkoNauka.pl (2014-02-21), InneMedium.pl
Splątanie kwantowe tworzy iluzję upływu czasu - Źródło: TylkoNauka.pl (2013-11-03), InneMedium.pl
Czas jest realnym bytem a nie jedynie złudzeniem - twierdzi Lee Smolin - Źródło: TylkoNauka.pl (2013-09-11). Oryginał: WinnipegFreePress.com
Nowa teoria kwantowa może wyjaśniać upływ czasu - Źródło: TylkoNauka.pl (2014-05-03). Oryginał: SimonsFoundation.org

Zagadki Wszechświata z Morganem Freemanem (tytuł oryginalny: Through the Wormhole) – to program naukowy, nadawany na kanale Discovery Science, prowadzony przez amerykańskiego aktora Morgana Freemana. Stacja nadała już w pięciu sezonach 42 odcinki tego legendarnego serialu. To tylko jeden z nich. Pełna lista: Wikipedia