Kohv jahtub, ehitised varisevad, munad purunevad ja tähed lähevad välja universumis, mis on määratud üle minema üksluisele monotoonsusele, mida nimetatakse termiliseks tasakaaluks. Astronoom ja filosoof Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) väitsid 1927. aastal, et energia järkjärguline hajumine on tõestus "aja noole" pöördumatusest.
Kuid tervete füüsikute põlvkondade hämmingule ei vasta aja noole kontseptsioon füüsika põhiseadustele, mis toimivad ajaliselt nii edasi kui ka vastupidises suunas. Nende seaduste kohaselt kui keegi teaks kõigi osakeste radu universumis ja pööraks need ümber, koguneks energia selle asemel, et hajuda: külm kohv hakkab soojenema, ehitised kerkivad varemetest ja päikesevalgus suunatakse tagasi Päikese poole.
"Meil oli klassikalises füüsikas raskusi," ütleb professor Sandu Popescu, kes õpetab Suurbritannias Bristoli ülikoolis füüsikat. "Kui oleksin rohkem teadnud, kas saaksin loode pöörata ja kõik purustatud muna molekulid kokku panna?"
Muidugi, tema sõnul ei valitse aja noolt inimlik teadmatus. Ja veel, alates termodünaamika algusest 1850. aastatel, on ainus teadaolev viis energia leviku arvutamiseks tundmatute osakeste trajektooride statistilise jaotuse valem ja tõestus, et aja jooksul teadmatus raputab asjade pildi.
Füüsikud paljastavad nüüd aja noole põhjapanevama allika. Energia hajub ja objektid jõuavad tasakaalu, sest elementaarosakesed takerduvad interaktsiooni käigus. Nad nimetasid seda kummalist efekti kvantsegamiseks või takerdumiseks.
"Saame lõpuks aru, miks tass kohvi ruumis sellega tasakaalus on," ütleb Bristolis asuv kvantfüüsik Tony Short. "Kohvitassi ja toa oleku vahel on segadus."
Popescu, Short ja nende kolleegid Noah Linden ja Andreas Winter teatasid avastusest ajakirjas Physical Review E 2009. aastal, kinnitades, et objektid on lõpmatuseni tasakaalus või ühtlaselt jaotunud energiaga pikka aega tänu kvantmehaanilisele segunemisele keskkonnaga. Sarnase avastuse tegi mõni kuu varem Peter Reimann Saksamaa Bielefeldi ülikoolist, avaldades oma järeldused ajakirjas Physical Review Letters. Lühike ja kolleegid toetasid oma juhtumit 2012. aastal, näidates, et takerdumine tekitab piiratud aja jooksul tasakaalu. Ja veebruaris arXivis avaldatud artiklis. org, on kaks eraldi meeskonda astunud järgmise sammu, arvutades välja, et enamik füüsilisi süsteeme tasakaalustub kiiresti nende suurusega proportsionaalse aja jooksul."Selleks, et näidata, et see kehtib ka meie tegeliku füüsilise maailma kohta, peavad protsessid toimuma mõistliku aja jooksul," ütleb Lühike.
Kohvi (ja kõige muu) kalduvus tasakaalule jõuda on "väga intuitiivne", ütleb Genfi ülikooli kvantfüüsik Nicolas Brunner. "Kuid selle põhjuste selgitamisel on meil esimest korda kindlad alused, võttes arvesse mikroskoopilist teooriat."
Reklaamvideo:
Kui uus uurimisliin on õige, siis aja noole ajalugu algab kvantmehaanilisest ideest, et loodus on põhimõtteliselt määramatu. Elementaarosakesel puuduvad konkreetsed füüsikalised omadused ja selle määravad ainult teatud olekutes olemise tõenäosused. Näiteks võib osake teatud hetkel pöörduda päripäeva 50% tõenäosusega ja vastupäeva 50% tõenäosusega. Põhja-Iiri füüsiku John Belli eksperimentaalselt testitud teoreem väidab, et osakeste olekut ei ole olemas; tõenäosused on ainus asi, mida saab selle kirjeldamiseks kasutada.
Kvantmääramatus põhjustab paratamatult segadust - aja noole väidetavat allikat.
Kui kaks osakest interakteeruvad, ei saa neid enam kirjeldada eraldi, iseseisvalt arenevate tõenäosustega, mida nimetatakse "puhasteks olekuteks". Selle asemel muutuvad nad keerukama tõenäosusjaotuse takerdunud komponentideks, mis kirjeldavad kahte osakest koos. Need võivad näiteks näidata, et osakesed keerlevad vastassuundades. Süsteem tervikuna on puhtas olekus, kuid iga osakese olek on "segatud" teise osakese olekuga. Mõlemad osakesed võivad üksteisest erineda mitu valgusaastat, kuid ühe osakese pöörlemine korreleerub teisega. Albert Einstein kirjeldas seda hästi kui "õudset tegevust eemalt".
"Takerdumine on teatud mõttes kvantmehaanika põhiolemus" või seadused, mis reguleerivad koostoimeid subatomilisel skaalal, ütleb Brunner. See nähtus on kvantarvutuse, kvantkrüptograafia ja kvantteleportatsiooni keskmes.
Idee, et segadus võib aja noolt lahti seletada, tuli Seth Lloydile esmakordselt meelde 30 aastat tagasi, kui ta oli 23-aastane Cambridge'i ülikooli filosoofia eriala lõpetanud Harvardi füüsika kraadi. Lloyd mõistis, et kvantmõõtemääramatus ja selle levimine osakeste üha tihenedes võivad vanade klassikaliste tõendite abil asendada inimese ebakindluse (või teadmatuse) ja saada aja noole tõeliseks allikaks.
Kasutades vähetuntud kvantmehaanilist lähenemisviisi, milles teabeühikud on peamised ehitusplokid, veetis Lloyd mitu aastat osakeste evolutsiooni uurides neid segavaid osakesi ja nulle. Ta leidis, et kuna osakesed üksteisega üha enam segunesid, läheb neid kirjeldanud teave (näiteks 1 päripäeva pöörlemise ja 0 vastupäeva) kirjeldama takerdunud osakeste süsteemi tervikuna. Näib, et osakesed kaotavad järk-järgult oma iseseisvuse ja saavad kollektiivse riigi etturiteks. Aja jooksul kandub kogu teave nendesse kollektiivsetesse klastritesse, samas kui üksikutel osakestel seda üldse pole. Sel hetkel, nagu Lloyd avastas, jõuavad osakesed tasakaalu ja nende olekud muutuvad, nagu tass kohvi jahtudes toatemperatuurini.
“Mis tegelikult toimub? Asjad on omavahel rohkem seotud. Ajaline nool on korrelatsioonide kasvu nool."
Seda Lloydi 1988. aasta doktoriväitekirjas esitatud ideed ei võetud arvesse. Kui teadlane selle kohta artikli ajakirja toimetusele saatis, öeldi talle, et "selles töös pole füüsikat". Kvantteabe teooria oli "toona sügavalt ebapopulaarne", ütles Lloyd, ja küsimused aja noole kohta olid "psühholoogia ja hullumeelse Nobeli preemia laureaadid".
"Olin taksojuhiks saamiseks üsna kuradi lähedal," ütles ta.
Sellest ajast alates on kvantarvutuse areng muutnud kvantteabe teooria füüsika üheks aktiivsemaks valdkonnaks. Lloyd on praegu Massachusettsi tehnoloogiainstituudi professor, teda peetakse selle distsipliini üheks rajajaks ja tema unustatud ideid taaselustatakse Bristoli füüsikute pingutuste abil. Uued tõendid on üldisemad, väidavad teadlased, ja kehtivad kõigi kvantisüsteemide kohta.
“Kui Lloyd oma väitekirjas selle idee välja pakkus, polnud maailm selleks veel valmis,” ütleb Zürichi Šveitsi kõrgema tehnikakooli teoreetilise füüsika instituudi juhataja Renato Renner. - Keegi ei mõistnud teda. Mõnikord on vaja ideid, et tulla õigel ajal."
2009. aastal kajastasid Bristoli füüsikute meeskonna tõendid kvantteabe teoreetikutega, kes avastasid uusi meetodeid oma meetodite rakendamiseks. Nad näitasid, et kuna objektid interakteeruvad oma keskkonnaga - kui kohvitassis olevad osakesed interakteeruvad õhuga -, siis teave nende omaduste kohta "lekib ja levib selles keskkonnas", selgitab Popescu. Selle teabe lokaalse kadumise tõttu jääb kohvi olek muutumatuks, isegi kui kogu ruumi puhas olek jätkub. Välja arvatud harvad juhuslikud kõikumised, väidab teadlane, et "tema olek lakkab aja jooksul muutumast."
Selgub, et külm tass kohvi ei saa iseeneslikult kuumeneda. Põhimõtteliselt võib toa puhta oleku arenedes kohv ruumis olevast õhust äkitselt välja pääseda ja naasta puhtasse olekusse. Kuid segaolukordi on palju rohkem kui puhtaid olekuid ja praktiliselt ei saa kohv kunagi puhta oleku juurde naasta. Selle nägemiseks peame elama kauem kui universum. See statistiliselt madal tõenäosus muudab aja noole pöördumatuks. "Põhimõtteliselt avab segamine meie jaoks tohutu ruumi," ütleb Popescu. - Kujutage ette, et olete pargis, mille ees on värav. Niipea kui nendesse sisenete, olete tasakaalust väljas, leiate end tohutus ruumis ja eksite selles. Te ei naase kunagi väravasse."
Aja noole uues ajaloos kaob teave kvantite takerdumise protsessis, mitte inimliku subjektiivse teadmiste puudumise tõttu sellest, mis kohvitassi ja ruumi tasakaalus viib. Ruum tasakaalustub lõpuks väliskeskkonnaga ja keskkond liigub ülejäänud universumiga tasakaalusüsteemi poole veelgi aeglasemalt. 19. sajandi termodünaamilised hiiglased nägid seda protsessi energia järkjärgulise hajumisena, mis suurendab universumi täielikku entroopiat ehk kaost. Täna näevad Lloyd, Popescu ja teised väljakul olevad aja nool teisiti. Nende arvates muutub teave üha hajusamaks, kuid ei kao kunagi täielikult. Ehkki entroopia kasvab lokaalselt, jääb universumi totaalne entroopia konstantseks ja nulliks.
"Üldiselt on universum puhtas olekus," ütleb Lloyd. "Kuid selle üksikud osad, mis on põimunud ülejäänud universumiga, on segase olekuga."
Kuid üks aja noole müsteerium jääb lahendamata. “Neis töödes ei seletata midagi, miks te väravast alustate,” ütleb Popescu pargi analoogia juurde tagasi pöördudes. "Teisisõnu, nad ei selgita, miks universumi algseisund oli tasakaalust kaugel." Teadlane vihjab, et see küsimus on seotud Suure Paugu olemusega.
Hoolimata tasakaalustamisaja arvutamisel tehtud hiljutistest edusammudest, ei saa uus lähenemisviis ikkagi olla vahend konkreetsete asjade, näiteks kohvi, klaasi või ebaharilike mateeriaolude termodünaamiliste omaduste arvutamiseks. (Mõned traditsioonilised termodünaamikud väidavad, et nad teavad uuest lähenemisviisist väga vähe.) “Mõte on selles, et peate leidma kriteeriumid, mille järgi asjad käituvad nagu aknaklaas ja millised asjad nagu tass teed,” ütleb Renner. "Arvan, et näen selles suunas uut tööd, kuid teha on veel palju."
Mõned teadlased on seadnud kahtluse alla, kas see termodünaamika abstraktne lähenemisviis suudab kunagi täpselt selgitada, kuidas konkreetsed vaatlejad käituvad. Kuid kontseptuaalsed edusammud ja uus matemaatiliste valemite komplekt aitavad juba teadlastel küsida termodünaamikas teoreetilisi küsimusi, näiteks kvantarvutite põhilisi piiranguid ja isegi universumi lõplikku saatust.
"Mõtleme üha enam sellele, mida saab kvantmasinatega teha," ütleb Paul Skrzypczyk Barcelonas asuvate fotooniliste teaduste instituudist. - Ütleme nii, et süsteem pole veel tasakaalus ja tahame, et see toimiks. Kui palju kasulikku tööd on meil võimalik saada? Kuidas saan sekkuda, et midagi huvitavat teha?"
Caltechi kosmoloogia teoreetik Sean Carroll rakendab uusi valemid oma viimases töös aja noolega kosmoloogias. “Mind huvitab kosmoloogilise ruumiaja kõige pikaajalisem saatus,” ütleb Carroll, kes kirjutas ajastust igavikust siia: Aja ülimate teooria otsing. "Selles olukorras ei tea me endiselt kõiki vajalikke füüsikaseadusi, seega on mõistlik pöörduda abstraktse taseme poole ja siin, ma arvan, aitab see kvantmehaaniline lähenemine meid aidata."
Kakskümmend kuus aastat pärast Lloydi suurejoonelise nooleidee nurjumist naudib ta selle renessanssi ja proovib rakendada viimase teose ideid musta auku langeva teabe paradoksi suhtes. "Ma arvan, et nüüd hakkavad nad rääkima sellest, et selles idees on füüsikat," ütleb ta.
Ja filosoofia veelgi enam.
Teadlaste sõnul võib meie võimet meeles pidada minevikku, kuid mitte tulevikku, mis on aja noole segane ilming, pidada ka vastastikmõju tekitavate osakeste omavaheliste seoste suurenemiseks. Kui loete paberitükil märkust, korreleerub aju teabega silmadesse sisenevate footonite kaudu. Ainult sellest hetkest on teil meeles paberil kirjutatu. Nagu Lloyd märgib, võib "olevikku iseloomustada kui seost meie keskkonnaga".
Kudede pideva kasvu taustal kogu universumis on muidugi aeg ise. Füüsikud rõhutavad, et hoolimata muutustest aja jooksul toimuvate muudatuste mõistmisel, ei ole nad jõudnud sammukese aja olemuse mõistmiseni või selleni, miks see erineb ruumi kolmest teisest mõõtmest (kontseptuaalselt ja kvantmehaanika võrrandites) … Popescu nimetab seda mõistatust "üheks füüsika suurimaks tundmatuks".
"Võime arutada, et tund aega tagasi oli meie aju seisund, mis korreleerus vähemaga," ütleb ta. “Kuid meie ettekujutus, et aeg möödub, on hoopis teine asi. Tõenäoliselt vajame uut füüsika revolutsiooni, mis sellest räägib."
