Cafeaua răcește, clădirile se prăbușesc, ouăle se sparg și stelele ies într-un univers care este destinat să treacă la o monotonie drabă cunoscută sub numele de echilibru termic. Astronomul și filozoful Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) a afirmat în 1927 că disiparea treptată a energiei este o dovadă a ireversibilității „săgeții timpului”.
Însă pentru dezlănțuirea generațiilor întregi de fizicieni, conceptul săgeții timpului nu corespunde legilor de bază ale fizicii, care în timp acționează atât în direcția înainte, cât și în sens invers. Conform acestor legi, dacă cineva ar cunoaște căile tuturor particulelor din univers și le-ar inversa, energia s-ar acumula mai degrabă decât să se disipeze: cafeaua rece ar începe să se încălzească, clădirile s-ar ridica din ruine, iar lumina soarelui ar fi direcționată înapoi spre Soare.
„Am avut dificultăți în fizica clasică”, spune profesorul Sandu Popescu, care predă fizică la Universitatea Bristol din Marea Britanie. „Dacă aș ști mai multe, aș putea să întorc valul și să pun laolaltă toate moleculele în oul spart?
Desigur, spune el, săgeata timpului nu este condusă de ignoranța umană. Și totuși, încă din zorii termodinamicii din anii 1850, singura modalitate cunoscută de a calcula propagarea energiei a fost o formulă pentru distribuția statistică a traiectoriilor de particule necunoscute și demonstrația că ignoranța estompează imaginea în timp.
Fizicienii descoperă acum o sursă mai fundamentală a săgeții timpului. Energia se disipează, iar obiectele ajung să se echilibreze, spun ei, deoarece particulele elementare se încurcă în timpul interacțiunii. Ei au numit acest efect ciudat „amestecare cuantică”, sau înțelegere.
„În sfârșit, putem înțelege de ce o ceașcă de cafea într-o cameră intră în echilibru cu ea”, spune Tony Short fizicianul cuantic bazat pe Bristol. "Există o confuzie între starea ceașii de cafea și starea camerei."
Popescu, Short și colegii lor Noah Linden și Andreas Winter au raportat descoperirea lor în Physical Review E în 2009, afirmând că obiectele ajung la echilibru, sau energie distribuită uniform, la nesfârșit mult timp datorită amestecării mecanice cuantice cu mediul înconjurător. O descoperire similară cu câteva luni mai devreme a fost făcută de Peter Reimann de la Universitatea Bielefeld din Germania, după ce și-a publicat descoperirile în Physical Review Letters. Scurtii și colegii au susținut cazul lor în 2012, arătând că încurcarea induce echilibrul în timp finit. Și într-o lucrare publicată în februarie pe arXiv. org, două echipe separate au făcut pasul următor, calculând că majoritatea sistemelor fizice se echilibrează rapid într-un timp direct proporțional cu dimensiunea lor.„Pentru a arăta că acest lucru se aplică lumii noastre fizice reale, procesele trebuie să se desfășoare într-un interval de timp rezonabil”, spune Short.
Tendința cafelei (și orice altceva) de a ajunge la echilibru este „foarte intuitivă”, spune Nicolas Brunner, fizician cuantic la Universitatea din Geneva. „Dar explicând motivele pentru aceasta, avem pentru prima dată fundamentele solide în ceea ce privește teoria microscopică”.
Video promotional:
Dacă noua linie de cercetare este corectă, atunci istoria săgeții timpului începe cu ideea mecanică cuantică potrivit căreia natura este fundamental nedeterminată. O particulă elementară este lipsită de proprietăți fizice specifice și este determinată numai de probabilitățile de a fi în anumite stări. De exemplu, la un moment dat, o particulă se poate roti în sensul acelor de ceasornic cu o probabilitate de 50% și în sens invers acelor de ceasornic cu o probabilitate de 50%. Teorema testată experimental a fizicianului irlandez nordic, John Bell, afirmă că nu există o stare „adevărată” a particulelor; probabilitățile sunt singurul lucru care poate fi utilizat pentru a-l descrie.
Incertitudinea cuantică duce inevitabil la confuzie - presupusa sursă a săgeții timpului.
Când două particule interacționează, ele nu mai pot fi descrise prin probabilități separate, în evoluție independentă, numite „stări pure”. În schimb, ele devin componente încurcate ale unei distribuții de probabilitate mai complexe care descriu două particule împreună. Ele pot, de exemplu, să indice că particulele se învârt în direcții opuse. Sistemul în ansamblu se află într-o stare pură, dar starea fiecărei particule este „amestecată” cu starea celeilalte particule. Ambele particule se pot deplasa mai mulți ani-lumină una de alta, dar rotația unei particule se va corela cu cealaltă. Albert Einstein a descris-o bine drept „acțiune infricosatoare la distanță”.
„Înțelegerea este, într-un anumit sens, esența mecanicii cuantice” sau legile care reglementează interacțiunile la scară subatomică, spune Brunner. Acest fenomen se află în centrul calculului cuantic, al criptografiei cuantice și al teleportării cuantice.
Ideea conform căreia confuzia poate explica săgeata timpului a venit în mintea lui Seth Lloyd în urmă cu 30 de ani, când era un tânăr de filozofie în vârstă de 23 de ani de la Universitatea Cambridge, cu o diplomă de fizică la Harvard. Lloyd și-a dat seama că incertitudinea cuantică și propagarea sa pe măsură ce particulele devin mai încurcate ar putea înlocui incertitudinea umană (sau ignoranța) în vechile dovezi clasice și să devină adevărata sursă a săgeții timpului.
Folosind o abordare mecanică cuantică puțin cunoscută, în care unitățile de informații sunt blocurile de bază de bază, Lloyd a petrecut câțiva ani studiind evoluția particulelor în ceea ce privește amestecarea celor și a zero. El a descoperit că pe măsură ce particulele deveneau din ce în ce mai amestecate între ele, informațiile care le descriau (de exemplu, 1 pentru rotație în sensul acelor de ceasornic și 0 pentru ceasornic), vor descrie sistemul de particule înfășurate în ansamblu. Particule păreau să-și piardă treptat independența și au devenit pioni ai statului colectiv. În timp, toate informațiile sunt transferate către aceste grupuri colective, în timp ce particulele individuale nu le au deloc. În acest moment, după cum a descoperit Lloyd, particulele intră într-o stare de echilibru și stările lor nu se mai schimbă, ca o cană de cafea se răcește la temperatura camerei.
„Ce se întâmplă cu adevărat? Lucrurile devin din ce în ce mai interconectate. Săgeata timpului este săgeata creșterii corelațiilor."
Această idee, exprimată în disertația de doctorat a lui Lloyd în 1988, a rămas nevăzută. Când savantul a trimis un articol despre acest lucru redacției jurnalului, i s-a spus că „nu există fizică în această lucrare”. Teoria informațiilor cuantice „a fost profund nepopulară” la vremea respectivă, spune Lloyd, iar întrebările despre săgeata timpului „erau o mulțime de psihologi și laureați nebuni laureați”.
"Am fost destul de al naibii de a deveni șofer de taxi", a spus el.
De atunci, progresele în calculul cuantic au făcut din teoria informațiilor cuantice una dintre cele mai active zone ale fizicii. Lloyd este în prezent profesor la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, este recunoscut ca unul dintre fondatorii acestei discipline, iar ideile sale uitate sunt reînviate prin eforturile fizicienilor din Bristol. Noile dovezi sunt mai generale, spun oamenii de știință și se aplică oricărui sistem cuantic.
„Când Lloyd a venit cu ideea din disertația sa, lumea nu era pregătită pentru asta”, spune Renato Renner, șeful Institutului de fizică teoretică de la Școala Tehnică Elvețiană din Zurich. - Nimeni nu l-a înțeles. Uneori ai nevoie de idei pentru a veni la momentul potrivit."
În 2009, dovezile de la o echipă de fizicieni Bristol au rezonat cu teoreticieni informații cuantice, care au descoperit noi modalități de a-și aplica metodele. Ei au arătat că pe măsură ce obiectele interacționează cu mediul lor - în timp ce particulele dintr-o ceașcă de cafea interacționează cu aerul - informațiile despre proprietățile lor „scurg și se răspândesc prin acest mediu”, explică Popescu. Această pierdere localizată de informații face ca starea cafelei să rămână neschimbată, chiar dacă starea curată a întregii camere continuă să se schimbe. Cu excepția unor fluctuații aleatorii rare, omul de știință spune, „starea lui nu se mai schimbă în timp”.
Se dovedește că o cană rece de cafea nu se poate încălzi spontan. Practic, pe măsură ce starea curată a unei camere evoluează, cafeaua se poate separa brusc de aerul din cameră și poate reveni la o stare curată. Dar există multe mai multe state mixte decât stările pure și practic cafeaua nu se poate întoarce niciodată la o stare pură. Pentru a vedea acest lucru, va trebui să trăim mai mult decât universul. Această probabilitate statistică scăzută face săgeata timpului ireversibilă. „Practic, amestecarea deschide un spațiu imens pentru noi”, spune Popescu. - Imaginează-ți că te afli într-un parc cu o poartă în fața ta. Imediat ce le intri, ești în afara echilibrului, intră într-un spațiu imens și te pierzi în el. Nu te vei mai întoarce niciodată la poartă.
În noua istorie a săgeții timpului, informațiile se pierd într-un proces de legătură cuantică, nu din cauza lipsei subiective de cunoștințe umane despre ceea ce aduce o ceașcă de cafea și o cameră în echilibru. În cele din urmă, camera se echilibrează cu exteriorul, iar mediul se mișcă și mai încet spre echilibru cu restul universului. Giganții termodinamici ai secolului XIX au văzut acest proces ca o disipare treptată a energiei care crește entropia totală sau haosul universului. Astăzi, Lloyd, Popescu și alții din câmp văd altfel săgeata timpului. În opinia lor, informațiile devin din ce în ce mai difuze, dar nu dispar niciodată complet. Deși entropia crește local, entropia totală a universului rămâne constantă și zero.
„În general, universul este într-o stare pură”, spune Lloyd. „Dar părțile sale individuale, care se împletesc cu restul universului, ajung într-o stare mixtă”.
Dar un singur mister al săgeții timpului rămâne nesoluționat. „Nu există nimic în aceste lucrări care să explice de ce pornești de la poartă”, spune Popescu, întorcându-se la analogia parcului. "Cu alte cuvinte, ei nu explică de ce starea inițială a universului era departe de echilibru." Omul de știință sugerează că această întrebare se referă la natura Big Bang-ului.
În ciuda progreselor recente în calculele timpului de echilibrare, noua abordare nu poate fi încă un instrument de calcul al proprietăților termodinamice ale unor lucruri specifice precum cafeaua, paharul sau stările neobișnuite ale materiei. (Unii termodinamici tradiționali spun că știu foarte puțin despre noua abordare.) „Ideea este că trebuie să găsiți criterii pentru care lucrurile se comportă ca un geam de fereastră și care sunt lucrurile precum o ceașcă de ceai”, spune Renner. "Cred că voi vedea noi lucrări în această direcție, dar mai sunt multe de făcut."
Unii cercetători s-au pus la îndoială dacă această abordare abstractă a termodinamicii va putea vreodată să explice cu exactitate cum se comportă anumite observabile. Dar progresele conceptuale și un nou set de formule matematice ajută deja cercetătorii să pună întrebări teoretice în termodinamică, cum ar fi limitările fundamentale ale computerelor cuantice și chiar soarta finală a universului.
„Ne gândim din ce în ce mai mult la ce se poate face cu mașinile cuantice”, spune Paul Skrzypczyk de la Institutul de Științe Fotonice din Barcelona. - Să spunem că sistemul nu este încă în echilibru și vrem să-l facem să funcționeze. Câtă muncă utilă putem extrage? Cum pot interveni pentru a face ceva interesant?"
Teoreticianul de cosmologie din Caltech, Sean Carroll, aplică noile formule în ultimele sale lucrări despre săgeata timpului în cosmologie. „Mă interesează soarta pe termen lung a spațiului-timp cosmologic”, spune Carroll, care a scris From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (De la infinit aici. Căutarea unei teorii finite a timpului). "În această situație, încă nu cunoaștem toate legile fizicii necesare, așa că este logic să apelăm la nivelul abstract, iar aici, cred, această abordare cuantică-mecanică ne va ajuta."
La douăzeci și șase de ani de la eșecul grandioasei idei a lui Lloyd despre săgeata timpului, se bucură de renașterea ei și încearcă să aplice ideile ultimei opere în paradoxul informațiilor care se încadrează într-o gaură neagră. „Cred că acum vor începe să vorbească despre faptul că există această fizică în această idee”, spune el.
Și filosofia chiar mai mult.
Potrivit oamenilor de știință, capacitatea noastră de a ne aminti trecutul, dar nu viitorul, care este o manifestare confuză a săgeții timpului, poate fi văzută și ca o creștere a corelațiilor dintre particulele care interacționează. Când citiți o notă pe o bucată de hârtie, creierul se corelează cu informațiile prin fotoni care intră în ochi. Doar din acest moment vă puteți aminti ce este scris pe hârtie. După cum remarcă Lloyd, „prezentul poate fi caracterizat ca procesul de stabilire a corelațiilor cu mediul nostru”.
Fundalul pentru creșterea constantă a țesăturii în întregul univers este, desigur, timpul în sine. Fizicienii subliniază că, în ciuda unor mari progrese în înțelegerea modului în care schimbările apar în timp, nu au ajuns cu un pas mai aproape de a înțelege natura timpului în sine sau de ce diferă de celelalte trei dimensiuni ale spațiului (conceptual și în ecuațiile mecanicii cuantice) … Popescu numește această ghicitoare „una dintre cele mai mari necunoscute din fizică”.
„Putem discuta că acum o oră creierul nostru se afla într-o stare corelată cu mai puține lucruri”, spune el. „Dar percepția noastră că timpul trece este o chestiune complet diferită. Cel mai probabil, vom avea nevoie de o nouă revoluție în fizică care va spune despre acest lucru."
