Нова теория обяснява на пръв поглед необратимата стрела на времето, като същевременно дава прозрения за ентропията, квантовите компютри, черните дупки и разделението минало-бъдеще.

Кафето се охлажда, сградите се рушат, яйцата се чупят и звездите избухват във вселена, която сякаш е предопределена да се разпадне в състояние на еднаква сивота, известно като термично равновесие. Астрономът-философ сър Артър Едингтън през 1927 г. цитира постепенното разпръскване на енергията като доказателство за необратима „стрела на времето“.

могла

Но за объркването на поколения физици, стрелата на времето изглежда не произтича от основните закони на физиката, които работят по същия начин напред във времето, както и в обратната посока. По тези закони изглеждаше, че ако някой знае пътищата на всички частици във Вселената и ги обърне, енергията ще се натрупва, вместо да се разпръсква: хладно кафе ще се нагрява спонтанно, сградите ще се издигат от развалините им и слънчевата светлина ще се връща обратно слънцето.

Оригинална история, препечатана с разрешение от Simons Science News, независимо от редакцията подразделение на SimonsFoundation.org, чиято мисия е да подобри общественото разбиране за науката чрез отразяване на научните разработки и тенденции в математиката и физическите науки и науките за живота. „В класическата физика се борехме ”, Каза Санду Попеску, професор по физика в Бристолския университет в Обединеното кралство. „Ако знаех повече, бих ли могъл да обърна събитието, да събера всички молекули на счупеното яйце? Защо съм актуален? ”

Със сигурност, каза той, стрелата на времето не се управлява от човешкото невежество. И все пак, от зараждането на термодинамиката през 1850-те години, единственият известен подход за изчисляване на разпространението на енергията е да се формулират статистически разпределения на неизвестните траектории на частици и да се покаже, че с течение на времето невежеството е размазало нещата.

Сега физиците разкриват по-основен източник за стрелата на времето: Енергията се разпръсква и обектите се уравновесяват, казват те, поради начина, по който елементарните частици се преплитат при взаимодействието си - странен ефект, наречен „квантово заплитане“.

„И накрая, можем да разберем защо една чаша кафе се уравновесява в една стая“, каза Тони Шорт, квантов физик от Бристол. „Заплитането се натрупва между състоянието на чашата за кафе и състоянието на стаята.“

Попеску, Шорт и техните колеги Ноа Линден и Андреас Уинтър съобщават за откритието в списанието Physical Review E през 2009 г., аргументирайки се с това, че обектите достигат равновесие или състояние на равномерно разпределение на енергията в рамките на безкрайно време, като стават квантово механично заплетени с техните заобикалящата среда. Подобни резултати от Петер Рейман от университета в Билефелд в Германия се появяват няколко месеца по-рано във Physical Review Letters. Шорт и сътрудник засилиха аргумента през 2012 г., като показаха, че заплитането причинява равновесие в рамките на ограничен период от време. И в работата, публикувана на сайта за научни препринти arXiv.org през февруари, две отделни групи предприеха следващата стъпка, изчислявайки, че повечето физически системи се уравновесяват бързо, във времеви мащаби, пропорционални на техния размер. „За да покажат, че това е от значение за нашия действителен физически свят, процесите трябва да се случват в разумни срокове“, каза Шорт.

Тенденцията на кафето - и всичко останало - да достигне равновесие е „много интуитивна“, каза Никола Брунер, квантов физик от Университета в Женева. „Но когато става въпрос за обяснение защо се случва, това е първият път, когато е изведено на твърди основания, като се разгледа микроскопична теория.“

Ако новата линия на изследване е вярна, тогава историята на стрелката на времето започва с квантово-механичната идея, че дълбоко в себе си природата по своята същност е несигурна. Елементарната частица няма определени физически свойства и се определя само от вероятностите да бъде в различни състояния. Например в определен момент частицата може да има 50 процента шанс да се върти по посока на часовниковата стрелка и 50 процента шанс да се върти обратно на часовниковата стрелка. Експериментално тествана теорема от физика от Северна Ирландия Джон Бел казва, че няма „истинско“ състояние на частицата; вероятностите са единствената реалност, която може да му се припише.

Тогава квантовата несигурност поражда заплитане, предполагаемият източник на стрелата на времето.

Когато две частици си взаимодействат, те вече не могат да бъдат описани от техните собствени, независимо развиващи се вероятности, наречени „чисти състояния“. Вместо това те стават заплетени компоненти на по-сложно разпределение на вероятностите, което описва двете частици заедно. Може да диктува, например, че частиците се въртят в противоположни посоки. Системата като цяло е в чисто състояние, но състоянието на всяка отделна частица е „смесено“ със състоянието на нейното познаване. Двамата биха могли да пътуват светлинни години един от друг и завъртането на всеки ще остане корелирано с това на другия, характеристика, която Алберт Айнщайн известен като „призрачен екшън от разстояние“.

„Заплитането е в някакъв смисъл същността на квантовата механика“, или законите, регулиращи взаимодействията в субатомната скала, каза Брунър. Феноменът е в основата на квантовите изчисления, квантовата криптография и квантовата телепортация.

Идеята, че заплитането може да обясни стрелата на времето, се появява за първи път на Сет Лойд преди около 30 години, когато той е 23-годишен студент по философия в университета в Кеймбридж със степен по физика в Харвард. Лойд осъзна, че квантовата несигурност и начинът, по който тя се разпространява, когато частиците стават все по-заплетени, може да замени човешката несигурност в старите класически доказателства като истински източник на стрелата на времето.

Използвайки неясен подход към квантовата механика, който третира единиците информация като основни градивни елементи, Лойд прекарва няколко години в изучаване на еволюцията на частиците по отношение на разбъркване 1s и 0s. Той открива, че тъй като частиците се заплитат все повече една с друга, информацията, която първоначално ги описва („1“ за въртене по часовниковата стрелка и „0“ за обратно на часовниковата стрелка, например), ще се измести, за да опише системата от заплетени частици като цяло . Сякаш частиците постепенно загубиха индивидуалната си автономност и станаха пионки на колективната държава. В крайна сметка корелациите съдържаха цялата информация, а отделните частици не съдържаха никаква. В този момент Лойд открива, че частиците пристигат в състояние на равновесие и техните състояния спират да се променят, като кафе, охладено до стайна температура.

„Това, което наистина се случва, е, че нещата стават по-корелирани помежду си“, спомня си Лойд, осъзнавайки. „Стрелата на времето е стрела на нарастващите корелации.“

Идеята, представена в неговата докторска дисертация от 1988 г., падна в глухи уши. Когато го изпрати в списание, му казаха, че „в този документ няма никаква физика“. Квантовата теория на информацията „беше дълбоко непопулярна по това време“, каза Лойд, а въпросите за стрелката на времето „бяха за кракпотове и нобелови лауреати, които са омекнали“. той си спомня как един физик му е казал.

"Бях много близо до шофирането на такси", каза Лойд.

Оттогава напредъкът в квантовите изчисления превърна квантовата теория на информацията в един от най-активните клонове на физиката. Сега Лойд е професор в Масачузетския технологичен институт, признат за един от основоположниците на дисциплината и неговата пренебрегвана идея се появи отново в по-силна форма в ръцете на британските физици. По-новите доказателства са по-общи, казват изследователите и се прилагат за почти всяка квантова система.

„Когато Лойд предложи идеята в дипломната си работа, светът не беше готов“, каза Ренато Ренър, ръководител на Института по теоретична физика в ETH Цюрих. „Никой не го разбра. Понякога трябва да имате идеята в точното време. "

През 2009 г. доказателството на бристолската група резонира с теоретиците на квантовата информация, откривайки нови приложения за техните техники. Той показа, че когато предметите взаимодействат със заобикалящата ги среда - тъй като частиците в чаша кафе например се сблъскват с въздуха - информацията за техните свойства „изтича навън и се размазва върху цялата среда“, обясни Попеску. Тази локална загуба на информация води до стагнация на състоянието на кафето, дори когато чистото състояние на цялата стая продължава да се развива. С изключение на редки, случайни колебания, каза той, „състоянието му спира да се променя във времето“.

Следователно една хладка чаша кафе не се затопля спонтанно. По принцип, когато чистото състояние на стаята се развива, кафето може внезапно да се смеси от въздуха и да влезе в чисто собствено състояние. Но има толкова много смесени състояния, отколкото чисти състояния, достъпни за кафето, че това на практика никога не се случва - човек ще трябва да надживее Вселената, за да стане свидетел на това. Тази статистическа вероятност придава на стрелката на времето вид на необратимост. „По същество заплитането ви отваря много голямо пространство“, каза Попеску. „Все едно сте в парка и започвате до портата, далеч от равновесието. След това влизате и имате това огромно място и се губите в него. И никога не се връщаш на портата. "

В новата история за стрелата на времето загубата на информация чрез квантово заплитане, а не субективната липса на човешко познание, води до равновесие на чаша кафе с околната стая. В крайна сметка стаята се уравновесява с външната среда и околната среда се отклонява още по-бавно към равновесие с останалата част от Вселената. Гигантите от термодинамиката от 19 век разглеждат този процес като постепенно разпръскване на енергия, която увеличава цялостната ентропия или разстройство на Вселената. Днес Лойд, Попеску и други в своята област виждат стрелата на времето по различен начин. Според тях информацията става все по-дифузна, но никога не изчезва напълно. И така, те твърдят, въпреки че ентропията се увеличава локално, общата ентропия на Вселената остава постоянна при нула.

"Вселената като цяло е в чисто състояние", каза Лойд. „Но отделни части от него, тъй като са заплетени с останалата част от Вселената, са в смеси.“

Един аспект на стрелката на времето остава нерешен. „В тези произведения няма нищо, което да каже защо сте започнали на портата“, каза Попеску, позовавайки се на аналогията на парка. "С други думи, те не обясняват защо първоначалното състояние на Вселената е било далеч от равновесие." Той каза, че това е въпрос за същността на Големия взрив.

Въпреки неотдавнашния напредък в изчисляването на времевите скали за уравновесяване, новият подход все още не е постигнал напредък като инструмент за анализиране на термодинамичните свойства на определени неща, като кафе, стъкло или екзотични състояния на материята. (Няколко традиционни термодинамици съобщават, че са само бегло запознати с новия подход.) „Работата е в това да се намерят критериите, за които нещата се държат като стъкло на прозорците и кои неща се държат като чаша чай“, каза Ренър. „Бих възприел новите документи като стъпка в тази посока, но трябва да се направи много повече.“

Някои изследователи изразиха съмнение, че този абстрактен подход към термодинамиката някога ще бъде отговорен на задачата да се справи с „твърдата нишест на това как се държат специфичните наблюдаеми“, както се изрази Лойд. Но концептуалният напредък и новият математически формализъм вече помага на изследователите да отговорят на теоретични въпроси за термодинамиката, като основните граници на квантовите компютри и дори крайната съдба на Вселената.

„Мислихме все повече и повече за това какво можем да направим с квантовите машини“, каза Пол Скржипчик от Института за фотонни науки в Барселона. „Като се има предвид, че една система все още не е в равновесие, ние искаме да излезем от нея. Колко полезна работа можем да извлечем? Как мога да се намеся, за да направя нещо интересно? “

Шон Карол, теоретичен космолог от Калифорнийския технологичен институт, използва новия формализъм в последната си работа върху стрелката на времето в космологията. „Интересувам се от ултра-дългосрочната съдба на космологичните космически времена“, каза Карол, автор на „От вечността до тук: Стремежът към крайната теория на времето“. „Това е ситуация, при която всъщност не познаваме всички съответни закони на физиката, така че има смисъл да мислим на много абстрактно ниво, поради което намерих това основно квантово-механично третиране полезно.“

Двадесет и шест години след като голямата идея на Лойд за стрелката на времето падна, той е доволен, че е свидетел на нейния възход и прилага идеите в скорошната работа по информационния парадокс на черната дупка. „Мисля, че сега консенсусът би бил, че в това има физика“, каза той.

Да не говорим за малко философия.

Според учените способността ни да помним миналото, но не и бъдещето, друга исторически объркваща проява на стрелата на времето, също може да се разбере като натрупване на корелации между взаимодействащите частици. Когато прочетете съобщение на лист хартия, мозъкът ви се свързва с него чрез фотоните, които достигат до очите ви. Само от този момент нататък ще можете да запомните какво казва съобщението. Както каза Лойд: „Настоящето може да бъде определено от процеса на привеждане в корелация с обкръжението ни.“

Фонът за постоянното нарастване на заплитането във вселената е, разбира се, самото време. Физиците подчертават, че въпреки големия напредък в разбирането как се случват промените във времето, те не са постигнали напредък в разкриването на същността на времето или защо то изглежда различно (както във възприятие, така и в уравненията на квантовата механика) от трите измерения на пространството. Попеску нарича това „едно от най-големите неизвестни във физиката“.

„Можем да обсъдим факта, че преди час мозъкът ни беше в състояние, което беше свързано с по-малко неща“, каза той. „Но нашето схващане, че времето тече - това е съвсем друг въпрос. Най-вероятно ще ни трябва по-нататъшна революция във физиката, която да ни разкаже за това. "

Оригинална история *, препечатана с разрешение от списание Quanta, независим от редакцията отдел на SimonsFoundation.org, чиято мисия е да подобри общественото разбиране за науката чрез обхващане на научноизследователски разработки и тенденции в математиката и физическите науки и науките за живота. *

Кафето се охлажда, сградите се рушат, яйцата се чупят и звездите избухват във вселена, която сякаш е предопределена да се разпадне в състояние на еднаква сивота, известно като термично равновесие. Астрономът-философ сър Артър Едингтън през 1927 г. цитира постепенното разпръскване на енергията като доказателство за необратима „стрела на времето“.