Нова квантова теорія могла б пояснити потік часу

Нова теорія пояснює, здавалося б, незворотну стрілку часу, даючи уявлення про ентропію, квантові комп'ютери, чорні діри та розбіжність минулого-майбутнього.

Кава охолоджується, будівлі руйнуються, яйця розбиваються, а зірки спалахують у Всесвіті, якому, здається, судилося перейти в стан рівномірної сипоти, відомого як теплова рівновага. Астроном-філософ сер Артур Еддінгтон у 1927 році назвав поступове розповсюдження енергії свідченням незворотної "стріли часу".

Але для незрозумілості поколінь фізиків, здається, стріла часу не випливає із основних законів фізики, які працюють у майбутньому так само, як і в зворотному напрямку. За цими законами здавалося, що якби хтось знав шляхи всіх частинок у Всесвіті і гортав їх навколо, енергія накопичувалася б, а не розганялася: прохолодна кава мимовільно нагрівалася, будинки піднімалися з-під завалів і сонячне світло поверталося назад сонце.

Оригінальна історія передрукована з дозволу Simons Science News, незалежного від редакції підрозділу SimonsFoundation.org, місія якого - покращити розуміння суспільством науки шляхом висвітлення дослідницьких розробок та тенденцій у математиці та фізичних науках та науках про життя. «У класичній фізиці ми боролися ”, - сказала Санду Попеску, професор фізики з Університету Брістоля у Великобританії. “Якби я знав більше, чи міг би я змінити подію, зібрати всі молекули яйцеклітини, яка розбилася? Чому я актуальний? "

Звичайно, сказав він, стрілою часу не керує людське незнання. І все ж, з часу зародження термодинаміки в 1850-х роках, єдиним відомим підходом для розрахунку розповсюдження енергії було формулювання статистичного розподілу невідомих траєкторій руху частинок і показати, що з часом незнання вимазало речі.

Зараз фізики демонструють більш фундаментальне джерело для стріли часу: енергія розсіюється і об'єкти врівноважуються, за їх словами, через те, як елементарні частинки переплітаються при взаємодії - дивний ефект, який називається "квантовим переплетенням".

"Нарешті, ми можемо зрозуміти, чому чашка кави врівноважується в кімнаті", - сказав Тоні Шорт, квантовий фізик з Брістоля. "Заплутаність накопичується між станом кавової чашки і станом кімнати".

Попеску, Шорт та їх колеги Ноа Лінден та Андреас Вінтер повідомляли про це відкриття в журналі Physical Review E у 2009 році, аргументуючи це тим, що об'єкти досягають рівноваги або стану рівномірного розподілу енергії протягом нескінченної кількості часу, стаючи квантово механічно заплутаними з їхніми. оточення. Подібні результати Пітера Реймана з Університету Білефельда в Німеччині з'явилися кількома місяцями раніше в "Physical Review Letters". Шорт і співавтор підсилили аргумент у 2012 році, показавши, що заплутаність викликає рівновагу протягом обмеженого часу. І в роботі, яка була опублікована на науковому сайті препринтів arXiv.org у лютому, дві окремі групи зробили наступний крок, підрахувавши, що більшість фізичних систем швидко врівноважуються у часових масштабах, пропорційних їх розміру. "Щоб показати, що це стосується нашого реального фізичного світу, процеси повинні відбуватися в розумних часових масштабах", - сказав Шорт.

Тенденція кави - і всього іншого - до рівноваги є "дуже інтуїтивною", - сказав Ніколас Бруннер, квантовий фізик з Женевського університету. "Але коли справа доходить до пояснення, чому це трапляється, це вперше було виведено на твердих підставах шляхом розгляду мікроскопічної теорії".

Якщо новий напрямок досліджень правильний, то історія стрілки часу починається з квантово-механічної ідеї, що в глибині природи природа по суті невизначена. Елементарній частинці не вистачає певних фізичних властивостей, і вона визначається лише ймовірностями перебування в різних станах. Наприклад, у конкретний момент частинка може мати 50-відсотковий шанс обертатися за годинниковою стрілкою і 50-відсотковий шанс обертатися проти годинникової стрілки. Експериментально перевірена теорема фізика з Північної Ірландії Джоном Беллом говорить про відсутність "справжнього" стану частинки; ймовірності - це єдина реальність, яку йому можна віднести.

Тоді квантова невизначеність породжує заплутаність, передбачуване джерело стріли часу.

Коли дві частинки взаємодіють, їх більше не можна описати власними, самостійно розвиваються ймовірностями, які називаються «чистими станами». Натомість вони стають заплутаними компонентами більш складного розподілу ймовірностей, що описує обидві частинки разом. Наприклад, це може диктувати, що частинки обертаються в протилежних напрямках. Система в цілому знаходиться в чистому стані, але стан кожної окремої частинки «змішується» із станом її знайомства. Вони могли б подорожувати світловими роками один від одного, і обертання кожного з них залишався б корелюючим із обертанням іншого, особливість, яку Альберт Ейнштейн, як відомо, описав як "моторошну дію на відстані".

"Заплутаність - це в якомусь сенсі суть квантової механіки", або закони, що регулюють взаємодію в субатомному масштабі, сказав Бруннер. Це явище лежить в основі квантових обчислень, квантової криптографії та квантової телепортації.

Ідея про те, що заплутаність може пояснити стрілу часу, вперше спала на думку Сету Ллойду близько 30 років тому, коли він був 23-річним аспірантом філософії в Кембриджському університеті зі ступенем Гарвардської фізики. Ллойд зрозумів, що квантова невизначеність і спосіб її поширення, коли частинки дедалі більше заплутуються, можуть замінити людську невизначеність у старих класичних доказах як справжнє джерело стріли часу.

Використовуючи незрозумілий підхід до квантової механіки, який розглядав одиниці інформації як основні будівельні блоки, Ллойд кілька років вивчав еволюцію частинок в умовах перемішування 1 і 0. Він виявив, що в міру того, як частинки дедалі більше заплутуються між собою, інформація, яка їх спочатку описувала ("1" для обертання за годинниковою стрілкою та "0" для проти годинникової стрілки, зміщуватиметься для опису системи заплутаних частинок в цілому . Це було так, ніби частинки поступово втрачали свою індивідуальну автономію і ставали пішаками колективної держави. Зрештою, кореляції містили всю інформацію, а окремі частинки не містили жодної. У той момент, виявив Ллойд, частинки прийшли в стан рівноваги, і їх стан перестав змінюватися, як кава, яка охолола до кімнатної температури.

"Що насправді відбувається, речі стають все більш взаємопов'язаними між собою", - згадує Ллойд, усвідомлюючи. "Стріла часу - це стрілка зростаючих кореляцій".

Ідея, викладена в його докторській дисертації 1988 року, натрапила на глухі вуха. Коли він подав його до журналу, йому сказали, що "в цій роботі немає фізики". Квантова теорія інформації "на той час була глибоко непопулярною", - сказав Ллойд, - і питання про стрілку часу "стосувалися кракпотів і нобелівських лауреатів, котрі померли в голові". він пам’ятає, як один фізик сказав йому.

"Я був дуже близький до того, щоб керувати таксі", - сказав Ллойд.

З того часу досягнення квантових обчислень перетворили квантову теорію інформації в одну з найбільш активних галузей фізики. Зараз Ллойд є професором Массачусетського технологічного інституту, визнаним одним із засновників дисципліни, і його упущена ідея в сильніших формах знову з’явилася в руках британських фізиків. Новіші докази є більш загальними, стверджують дослідники, і стосуються практично будь-якої квантової системи.

"Коли Ллойд запропонував ідею в своїй дисертації, світ не був готовий", - сказав Ренато Реннер, керівник Інституту теоретичної фізики при ETH в Цюріху. “Ніхто цього не зрозумів. Іноді ця ідея повинна з’явитися в потрібний час ».

У 2009 році докази групи Брістоля отримали резонанс з теоретиками квантової інформації, відкривши нові способи їх використання. Це показало, що коли об'єкти взаємодіють із оточенням - коли частинки в чашці кави стикаються з повітрям, наприклад, інформація про їх властивості "витікає і розмазується по всьому довкіллю", пояснив Попеску. Ця локальна втрата інформації призводить до стагнації стану кави, навіть коли чистий стан усієї кімнати продовжує змінюватися. За винятком рідкісних випадкових коливань, за його словами, "його стан перестає змінюватися в часі".

Отже, прохолодна чашка кави не спонтанно нагрівається. В принципі, коли чистий стан кімнати еволюціонує, кава раптом може не змішатися з повітря і перейти у власний чистий стан. Але для кави існує набагато більше змішаних станів, ніж чистих, що цього практично ніколи не трапляється - потрібно було б пережити Всесвіт, щоб засвідчити це. Ця статистична ймовірність надає стрілці часу видимості незворотності. "По суті заплутаність відкриває для вас дуже великий простір", - сказав Попеску. «Це як у парку, і ти починаєш біля воріт, далеко від рівноваги. Потім ви входите, і у вас є це величезне місце, і ви заблукали в ньому. І ти ніколи не повернешся до воріт ".

У новій історії про стрілу часу саме втрата інформації через квантове заплутування, а не суб’єктивна відсутність людських знань приводить чашку кави в рівновагу з навколишньою кімнатою. Кімната в кінцевому підсумку врівноважується із зовнішнім середовищем, і навколишнє середовище ще повільніше дрейфує до рівноваги з рештою Всесвіту. Гіганти термодинаміки 19 століття розглядали цей процес як поступове розповсюдження енергії, що збільшує загальну ентропію або розлад Всесвіту. Сьогодні Ллойд, Попеску та інші у своїй галузі бачать стрілу часу по-іншому. На їх думку, інформація стає все більш дифузною, але вона ніколи не зникає повністю. Отже, вони стверджують, що хоча ентропія збільшується локально, загальна ентропія Всесвіту залишається незмінною при нулі.

"Всесвіт в цілому знаходиться в чистому стані", - сказав Ллойд. "Але окремі його шматки, оскільки вони переплутані з рештою Всесвіту, знаходяться в сумішах".

Один аспект часової стрілки залишається невирішеним. "У цих роботах немає нічого, щоб сказати, чому ви почали біля воріт", - сказав Попеску, маючи на увазі аналогію парку. "Іншими словами, вони не пояснюють, чому початковий стан Всесвіту був далекий від рівноваги". Він сказав, що це питання про природу Великого вибуху.

Незважаючи на недавній прогрес у обчисленні часових шкал рівноваги, новий підхід ще не просунувся як інструмент для аналізу термодинамічних властивостей конкретних речей, таких як кава, скло або екзотичні стани речовини. (Кілька традиційних термодинаміків повідомили, що вони лише неясно обізнані про новий підхід.) "Річ у тому, щоб знайти критерії, за якими речами поводяться як віконне скло, а які - за чашкою чаю", - сказав Реннер. "Я бачив би нові документи як крок у цьому напрямку, але потрібно зробити набагато більше".

Деякі дослідники висловлювали сумнів у тому, що цей абстрактний підхід до термодинаміки коли-небудь відповідатиме "жорсткій дрібниці того, як поводяться конкретні спостережувані", як сказав Ллойд. Але концептуальний прогрес і новий математичний формалізм вже допомагають дослідникам вирішувати теоретичні питання щодо термодинаміки, такі як фундаментальні межі квантових комп'ютерів і навіть остаточна доля Всесвіту.

"Ми все більше і більше замислюємось над тим, що ми можемо зробити з квантовими машинами", - сказав Пол Скржипчик з Інституту фотонних наук у Барселоні. “Враховуючи, що система ще не в рівновазі, ми хочемо отримати з неї роботу. Скільки корисної праці ми можемо витягти? Як я можу втрутитися, щоб зробити щось цікаве? "

Шон Керролл, теоретичний космолог з Каліфорнійського технологічного інституту, використовує новий формалізм у своїй останній роботі про стрілку часу в космології. "Мене цікавить надзвичайно довгострокова доля космологічних просторів-часів", - сказала Керролл, автор книги "Від вічності до сюди: пошуки остаточної теорії часу". "Це ситуація, коли ми насправді не знаємо всіх відповідних законів фізики, тому є сенс думати на дуже абстрактному рівні, саме тому я знайшов цю базову квантово-механічну обробку корисною".

Через двадцять шість років після того, як велика ідея Ллойда про те, що стріла часу впала, він із задоволенням спостерігає за її зростанням і застосовує ці ідеї в останній роботі над інформаційним парадоксом чорної діри. "Думаю, зараз консенсус був би таким, що в цьому є фізика", - сказав він.

Не кажучи вже про трохи філософії.

На думку вчених, нашу здатність запам’ятовувати минуле, але не майбутнє, ще один історично незрозумілий прояв стрілки часу, можна також розуміти як скупчення кореляційних зв'язків між взаємодіючими частинками. Коли ви читаєте повідомлення на аркуші паперу, ваш мозок співвідноситься з ним через фотони, що досягають ваших очей. Тільки з цього моменту ви зможете запам’ятати, про що йдеться в повідомленні. Як сказав Ллойд: "Сучасність може бути визначена процесом співвіднесення з нашим оточенням".

Фоном для постійного зростання заплутаності у всьому Всесвіті є, звичайно, сам час. Фізики підкреслюють, що, незважаючи на значний прогрес у розумінні того, як відбуваються зміни в часі, вони не досягли жодного прогресу в розкритті природи самого часу або того, чому він здається іншим (як у сприйнятті, так і в рівняннях квантової механіки), ніж три виміри простору. Попеску називає це "однією з найбільших невідомих у фізиці".

"Ми можемо обговорити той факт, що годину тому наш мозок був у стані, який співвідносився з меншою кількістю речей", - сказав він. “Але наше сприйняття того, що час тече - це зовсім інша справа. Швидше за все, нам знадобиться подальша революція у фізиці, яка розповість нам про це ".

Оригінальна історія * передрукована з дозволу журналу Quanta, незалежного під редакцією підрозділу SimonsFoundation.org, місія якого - покращити розуміння суспільством науки шляхом висвітлення дослідницьких розробок та тенденцій у галузі математики та фізичних наук та наук про життя. *