Kafija atdziest, ēkas sabrūk, olas satriec un zvaigznes iziet Visumā, kuram lemts pāriet uz drūmo monotoniju, kas pazīstama kā termiskais līdzsvars. Astronoms un filozofs sers Artūrs Eddingtons (Arthur Eddington) 1927. gadā paziņoja, ka pakāpeniska enerģijas izkliede ir pierādījums "laika bultiņas" neatgriezeniskumam.
Bet visu fiziķu paaudžu apjukumam laika bultiņas jēdziens neatbilst fizikas pamatlikumiem, kas laika gaitā darbojas gan uz priekšu, gan pretēji. Saskaņā ar šiem likumiem, ja kāds zinātu visu Visuma daļiņu ceļus un apgrieztu tos pretī, enerģija uzkrātos, nevis izkliedētos: sāktu sakarst auksta kafija, ēkas celtu no drupām, un saules gaisma tiktu virzīta atpakaļ Saules virzienā.
“Mums bija grūtības klasiskajā fizikā,” saka profesors Sandu Popescu, kurš māca fiziku Bristoles universitātē Lielbritānijā. "Ja es zinātu vairāk, vai es varētu pagriezt plūdmaiņu un salikt visas molekulas sadalītajā olā?"
Protams, viņš saka, ka laika bultu nevalda cilvēka neziņa. Un tomēr, kopš termodinamikas sākuma 1850. gados, vienīgais zināmais veids, kā aprēķināt enerģijas izplatīšanos, ir nezināmu daļiņu trajektoriju statistiskā sadalījuma formula un pierādījums, ka nezināšana laika gaitā izplūda attēlu.
Fiziķi tagad atklāj fundamentālāku laika bultiņas avotu. Viņi saka, ka enerģija izklīst un objekti nonāk līdzsvarā, jo mijiedarbības laikā elementārdaļiņas ir sapinušās. Viņi šo dīvaino efektu sauca par "kvantu sajaukšanu" vai sapīšanos.
"Mēs beidzot varam saprast, kāpēc tasi kafijas telpā nonāk līdzsvarā," saka Bristoles bāzētais kvantu fiziķis Tonijs Īss. "Starp kafijas tases un istabas stāvokli ir neskaidrības."
Popescu, Short un viņu kolēģi Noah Linden un Andreas Winter paziņoja par savu atklājumu Fiziskajā apskatā E 2009. gadā, paziņojot, ka objekti uz nenoteiktu laiku nonāk līdzsvarā vai vienmērīgi sadalītā enerģijā. ilgu laiku sakarā ar kvantu mehānisku sajaukšanos ar vidi. Līdzīgu atklājumu dažus mēnešus iepriekš veica Pīters Reimans no Bīlefeldes universitātes Vācijā, publicējot savus atradumus žurnālā Physical Review Letters. Trumpi un kolēģi atbalstīja savu lietu 2012. gadā, parādot, ka sapīšanās rada līdzsvaru ierobežotā laikā. Un februārī publicētajā rakstā arXiv. org, divas atsevišķas komandas ir spērušas nākamo soli, aprēķinot, ka vairums fizisko sistēmu ātri līdzsvarojas tieši proporcionāli to lielumam.“Lai parādītu, ka tas attiecas uz mūsu reālo fizisko pasauli, procesiem jānotiek saprātīgā laika posmā,” saka Īss.
Tendence kafijai (un visam citam) nonākt līdzsvarā ir "ļoti intuitīva", saka Nikolā Brunners, Ženēvas universitātes kvantu fiziķis. "Bet, izskaidrojot tā iemeslus, mums pirmo reizi ir stabili pamati, ņemot vērā mikroskopisko teoriju."
Reklāmas video:
Ja jaunā pētījumu līnija ir pareiza, tad laika bultiņas vēsture sākas ar kvantu mehānisko ideju, ka daba ir principā nenoteikta. Elementārai daļiņai nav īpašu fizikālo īpašību, un to nosaka tikai varbūtība, ka tā atradīsies noteiktos stāvokļos. Piemēram, noteiktā brīdī daļiņa var pagriezties pulksteņrādītāja virzienā ar 50% varbūtību un pretēji pulksteņa rādītāja virzienam ar 50% varbūtību. Eksperimentāli pārbaudītā Ziemeļīrijas fiziķa Džona Bella teorēma apgalvo, ka daļiņām nav "patiesa" stāvokļa; varbūtības ir vienīgais, ko var izmantot, lai to aprakstītu.
Kvantu nenoteiktība neizbēgami rada neskaidrības - domājamo laika bultiņas avotu.
Kad divas daļiņas mijiedarbojas, tās vairs nevar aprakstīt ar atsevišķām, patstāvīgi mainīgām varbūtībām, ko sauc par “tīriem stāvokļiem”. Tā vietā tie kļūst par sarežģītākas varbūtības sadalījuma komponentiem, kas apraksta divas daļiņas kopā. Tās, piemēram, var norādīt, ka daļiņas griežas pretējos virzienos. Sistēma kopumā ir tīrā stāvoklī, bet katras daļiņas stāvoklis ir "sajaukts" ar otras daļiņas stāvokli. Abas daļiņas var pārvietoties vairāku gaismas gadu attālumā viena no otras, bet vienas daļiņas rotācija korelē ar otru. Alberts Einšteins to raksturoja kā "spocīgu rīcību no attāluma".
"Sapīšanās savā ziņā ir kvantu mehānikas būtība" vai likumi, kas nosaka mijiedarbību subatomiskajā mērogā, saka Brunners. Šī parādība ir kvantu skaitļošanas, kvantu kriptogrāfijas un kvantu teleportācijas pamatā.
Ideja, ka neskaidrības var izskaidrot laika bultu, vispirms ienāca Setam Loidam prātā pirms 30 gadiem, kad viņš bija 23 gadus vecs filozofijas absolvents Kembridžas universitātē ar Hārvarda fizikas grādu. Loids saprata, ka kvantu nenoteiktība un tās izplatīšanās, kad daļiņas kļūst arvien iespīlētākas, var aizstāt cilvēka nenoteiktību (vai nezināšanu) vecajos klasiskajos pierādījumos un kļūt par īsto laika bultiņas avotu.
Izmantojot mazpazīstamo kvantu mehānisko pieeju, kurā informācijas vienības ir pamata veidojošie elementi, Lloyd vairākus gadus pavadīja daļiņu evolūcijas izpētē, mainoties tām un nullēm. Viņš atklāja, ka, tā kā daļiņas arvien vairāk un vairāk sajaucas viena ar otru, informācija, kas tās aprakstīja (piemēram, 1 rotācijai pulksteņa rādītāja virzienā un 0 pretēji pulksteņa rādītāja virzienam), pāries uz visu sapīto daļiņu sistēmas aprakstu. Šķita, ka daļiņas pamazām zaudē savu neatkarību un kļūst par kolektīvās valsts bandiniekiem. Laika gaitā visa informācija tiek nodota šīm kolektīvajām kopām, bet atsevišķām daļiņām tās vispār nav. Šajā brīdī, kā atklāja Lloyds, daļiņas nonāk līdzsvara stāvoklī, un to stāvokļi pārstāj mainīties, piemēram, tasi kafijas atdziest līdz istabas temperatūrai.
“Kas īsti notiek? Lietas kļūst arvien savstarpēji saistītas. Laika bultiņa ir korelāciju pieauguma bultiņa."
Šī ideja, kas tika izteikta Lloyd doktora disertācijā 1988. gadā, netika ņemta vērā. Kad zinātnieks nosūtīja rakstu par to žurnāla redakcijai, viņam teica, ka "šajā darbā nav fizikas". Kvantu informācijas teorija "tolaik bija dziļi nepopulāra", saka Lloyd, un jautājumi par laika bultu "bija daudz psihes un prātu satriecošu Nobela prēmiju laureātu".
"Es biju diezgan sasodīti tuvu tam, lai kļūtu par taksistu," viņš teica.
Kopš tā laika sasniegumi kvantu skaitļošanā kvantu informācijas teoriju ir padarījuši par vienu no aktīvākajām fizikas jomām. Pašlaik Loids ir Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta profesors, viņš tiek atzīts par vienu no šīs disciplīnas dibinātājiem, un viņa aizmirstās idejas tiek atdzīvinātas ar Bristoles fiziķu centieniem. Jaunie pierādījumi ir vispārīgāki, apgalvo zinātnieki, un attiecas uz jebkuru kvantu sistēmu.
“Kad Lloyd savā idejā iepazīstināja ar ideju, pasaule tam nebija gatava,” saka Renato Renner, Cīrihes Šveices augstākās tehniskās skolas Teorētiskās fizikas institūta vadītājs. - Neviens viņu nesaprata. Dažreiz jums ir vajadzīgas idejas, lai nāktu īstajā laikā."
2009. gadā Bristoles fiziķu komandas sniegtie pierādījumi rezonēja ar kvantu informācijas teorētiķiem, kuri atklāja jaunus veidus, kā pielietot savas metodes. Viņi parādīja, ka, objektiem mijiedarbojoties ar vidi, piemēram, kafijas tasītē esošās daļiņas mijiedarbojas ar gaisu, informācija par to īpašībām "noplūst un izplatās caur šo vidi", skaidro Popescu. Šis lokālais informācijas zudums izraisa kafijas stāvokļa nemainīšanos, pat ja visas telpas tīrā stāvoklī turpina mainīties. Izņemot retas izlases svārstības, zinātnieks saka: "viņa stāvoklis laika gaitā pārstāj mainīties".
Izrādās, ka auksta kafijas tase nevar spontāni uzkarst. Būtībā, attīstoties telpas tīrajam stāvoklim, kafija pēkšņi var izkļūt no gaisa telpā un atgriezties tīrā stāvoklī. Bet ir daudz vairāk jauktu stāvokļu nekā tīri stāvokļi, un kafija praktiski nekad nevar atgriezties tīrā stāvoklī. Lai to redzētu, mums būs jādzīvo ilgāk nekā Visums. Šī statistiski zemā varbūtība padara laika bultu neatgriezenisku. "Būtībā sajaukšana mums paver milzīgu vietu," saka Popescu. - Iedomājieties, ka jūs atrodaties parkā, kura priekšā ir vārti. Tiklīdz jūs ieejat tajās, jūs esat ārpus līdzsvara, atrodaties milzīgā telpā un apmaldāties tajā. Jūs nekad neatgriezīsities vārtos."
Laika bultas jaunajā vēsturē informācija tiek zaudēta kvantu sapīšanās procesā, nevis tāpēc, ka subjektīvi trūkst cilvēku zināšanu par to, kas līdzsvaro kafijas tasi un istabu. Telpa galu galā līdzsvarojas ar ārpusi, un vide vēl lēnāk virzās uz līdzsvaru ar pārējo Visumu. 19. gadsimta termodinamiskie giganti uzskatīja šo procesu par pakāpenisku enerģijas izkliedi, kas palielina kopējo Visuma entropiju jeb haosu. Mūsdienās Lloyd, Popescu un citi lauki atšķirīgi uztver laika bultu. Viņuprāt, informācija kļūst arvien izkliedētāka, bet nekad pilnībā nepazūd. Kaut arī entropija aug lokāli, kopējā Visuma entropija paliek nemainīga un nulle.
"Kopumā Visums ir tīrā stāvoklī," saka Lloyd. "Bet tās atsevišķās daļas, kas savijas ar pārējo Visumu, nonāk jauktā stāvoklī."
Bet viena laika bultiņas noslēpums joprojām nav atrisināts. “Šajos darbos nekas neizskaidro, kāpēc jūs sākat pie vārtiem,” saka Popescu, atgriežoties pie parka analoģijas. "Citiem vārdiem sakot, viņi neizskaidro, kāpēc Visuma sākotnējais stāvoklis bija tālu no līdzsvara." Zinātnieks norāda, ka šis jautājums ir saistīts ar Lielā sprādziena raksturu.
Neskatoties uz nesenajiem sasniegumiem līdzsvara laika aprēķinos, jaunā pieeja joprojām nevar būt līdzeklis, lai aprēķinātu termodinamiskās īpašības konkrētām lietām, piemēram, kafijai, stiklam vai neparastiem matērijas stāvokļiem. (Daži tradicionālie termodinamikas pārstāvji saka, ka viņi ļoti maz zina par jauno pieeju.) “Lieta ir tāda, ka jums ir jāatrod kritēriji, pēc kuriem lietas uzvedas kā loga stikls un kādas lietas, piemēram, tasi tējas,” saka Renners. "Es domāju, ka es redzēšu jaunu darbu šajā virzienā, bet vēl ir daudz darāmā."
Daži pētnieki ir apšaubījuši, vai šī abstraktā pieeja termodinamikai kādreiz spēs precīzi izskaidrot, kā uzvedas specifiski novērojamie elementi. Bet konceptuālie sasniegumi un jauns matemātisko formulu komplekts jau palīdz pētniekiem uzdot teorētiskus jautājumus no termodinamikas lauka, piemēram, par kvantu datoru pamatierobežojumiem un pat Visuma galīgo likteni.
“Mēs arvien vairāk domājam par to, ko var izdarīt ar kvantu mašīnām,” saka Pols Skrzypczyk no Fotonzinātņu institūta Barselonā. - Teiksim, ka sistēma vēl nav līdzsvarā, un mēs vēlamies, lai tā darbotos. Cik daudz noderīga darba mēs varam iegūt? Kā es varu iejaukties, lai izdarītu kaut ko interesantu?"
Kaltehas kosmoloģijas teorētiķis Šons Kerols izmanto jaunākās formulas savā jaunākajā darbā par laika bultiņu kosmoloģijā. “Mani interesē kosmoloģiskā kosmosa laika ilgtermiņa liktenis,” saka Kerols, kurš rakstīja no mūžības līdz šejienei: Laika galīgās teorijas meklējumi. "Šajā situācijā mēs joprojām nezinām visus nepieciešamos fizikas likumus, tāpēc ir jēga pievērsties abstraktajam līmenim, un šeit, es domāju, šī kvantu-mehāniskā pieeja mums palīdzēs."
Divdesmit sešus gadus pēc Lloyd grandiozās idejas par laika bultu izgāšanās viņš izbauda tās renesansi un mēģina pēdējā darba idejas pielietot informācijas paradoksā, kas iekrīt melnajā caurumā. "Es domāju, ka tagad viņi sāks runāt par to, ka šajā idejā ir fizika," viņš saka.
Un filozofija vēl jo vairāk.
Pēc zinātnieku domām, mūsu spēju atcerēties pagātni, bet ne nākotni, kas ir mulsinoša laika bultiņas izpausme, var uzskatīt arī par mijiedarbīgo daļiņu korelācijas palielināšanos. Kad jūs lasāt piezīmi uz papīra, smadzenes korelē ar informāciju caur fotoniem, kas nonāk acīs. Tikai no šī brīža jūs varat atcerēties to, kas rakstīts uz papīra. Kā atzīmē Lloyd, "tagadni var raksturot kā korelācijas ar mūsu vidi noteikšanas procesu".
Visā Visumā vienmērīgas aušanas fona pamatā, protams, ir pats laiks. Fiziķi uzsver, ka, neraugoties uz lielajiem panākumiem izpratnē par to, kā laika gaitā notiek izmaiņas, viņi nav nonākuši tuvāk sava laika rakstura izpratnei vai kāpēc tas atšķiras no pārējām trim telpas dimensijām (konceptuāli un kvantu mehānikas vienādojumos). … Popescu šo mīklu sauc par "vienu no lielākajiem fizikā nezināmajiem".
"Mēs varam diskutēt par to, ka pirms stundas mūsu smadzenes bija stāvoklī, kas korelē ar mazākām lietām," viņš saka. “Bet mūsu uzskats, ka laiks iet, ir pavisam cita lieta. Visticamāk, mums būs nepieciešama jauna revolūcija fizikā, kas par to pastāstīs."