Квантово заплитане движи стрелата на времето

Кафето изстива, сградите се рушат, яйцата се чупят, а звездите въздъхват във Вселената, на която е съдено да деградира до състояние на равномерна сивота, известна като топлинно равновесие.

Астрономът сър Артър Едингтън през 1927 година е привел постепенното разпространение на енергията в качеството на доказателство за необратима „стрела на времето“.

Но за недоумение на поколения физици стрелата на времето, изглежда, не произтича от основните физични закони, според които, да се движим напред във времето, е същото, както и да се движим назад.

Според тези закони, ако някой знае пътя на всичките частици във Вселената и ги обърне назад, енергията би се натрупвала, а не би се разпилявала: студеното кафе би се затоплило спонтанно, сградите биха се сглобявали от отломките, а слънчевата светлина би се събирала обратно в Слънцето.

„В класическата физика сме силни – казва Санду Попеску, професор по физика от Бристолския университет. –Ако знаех повече, можех ли да обърна хода на събитията и да събера отново всички молекули на счупеното яйце?“

Разбира се, професорът казва, че стрелата на времето не се управлява от човешкото невежество. И все пак, от момента на раждането на термодинамиката през 50-те години на XIX век, единственият известен подход за изчисляване на разпространението на енергията е да се формулира статистическото разпределение на неизвестните траектории на частиците и да се покаже, че с течение на времето незнанието смазва картината на нещата.

Сега физиците са определили фундаменталния източник на стрелата на времето. Енергията се разсейва и обектите се уравновесяват, казват те, защото елементарните частици се преплитат, когато си взаимодействат – странен ефект, наречен квантово заплитане.

„Най-после можем да разберем защо чашата кафе се уравновесява в стаята – казва Тони Шорт, квантов физик от Бристол. – Заплитането се натрупва между състоянието на чашата кафе и състоянието на стаята.“

Попеску, Шорт и колегите им Ной Линден и Андреас Уинтър са съобщили за откритието в сп. Physical Review E през 2009 г., твърдейки, че обектите достигат равновесие, или състояние на равномерно разпределяне на енергията, в продължение на безкрайно количество време за сметка на квантовомеханичното заплитане с околната среда.

Подобно откритие е публикувал и Питър Рейман от университета в Билефелд, Германия, няколко месеца по-рано във Physical Review Letters. Шорт и колегите му подкрепили аргументите си през 2012 г., показвайки, че заплитането предизвиква уравновесяване за крайно време. Също в работа, публикувана в arXiv.org през февруари, две отделни групи направили следващата стъпка, като изчислили, че повечето физически системи се уравновесяват бързо, за време, пропорционално на техния размер.

„За да се покаже, че това е приложимо към нашия физически свят, процесите трябва да протичат в разумни времеви мащаби“, казва Шорт.

Тенденцията на кафето – и на всичко останало – да достига равновесие е „много интуитивна“ – смята Никола Брунер, квантов физик от Женевския университет. – Но когато трябва да обясним защо се случва това, за първи път имаме твърда основа с отчитане на микроскопичната теория.“

Ако новата линия на изследване е вярна, историята на стрелата на времето започва от квантовомеханичната идея за това, че дълбоко в себе си природата е неопределена. На елементарната частица не достигат конкретни физични свойства и тя се определя само от вероятностите, че се намира в дадено състояние.

Например в определен момент частицата може с 50% шанс да се върти по часовниковата стрелка и с 50% – срещу нея. Експериментално проверената теорема на Джон Бел гласи, че няма „истинско“ състояние на частицата; вероятностите са единственото, което може да се използва за нейното описание.

Квантовата неопределеност неизбежно води до заплитане, предполагам източник на стрелата на времето.

Когато две частици си взаимодействат, те повече не може да се описват като отделни, независимо от развиващите се вероятности под названието „чисти състояния“. Вместо това те стават заплетени компоненти от едно по-сложно вероятностно разпределение, което описва двете частици заедно.

Системата като цяло се намира в чисто състояние, но състоянието на всяка от индивидуалните частици е „смесено“. Двете частици могат да се отделят на светлинни години една от друга, но спинът на всяка частица ще корелира с другия. Алберт Айнщайн добре е описал това като „призрачно действие на разстояние“.

„Заплитането е в известен смисъл същността на квантовата механика, или законите, регулиращи взаимодействието на субатомните частици“, казва Брунер. Това явление лежи в основата на квантовите изчисления, квантовата криптография и квантовата телепортация.

Идеята, че заплитането може да обясни стрелата на времето, за първи път е хрумнала на Сет Лойд преди тридесет години, когато той бил 23-годишен дипломант на философския факултет на Кеймбриджкия университет с харвардска степен по физика.

Лойд разбрал, че квантовата неопределеност и как тя се разпространява според това, че частиците стават все по-заплетени, може да замени човешката несигурност в старите класически доказателства като истински източник на стрелата на времето.

Използвайки един неясен подход към квантовата механика, който третира единиците информация като основни градивни блокове, Лойд прекарал няколко години в изучаване на еволюцията на частиците от гледна точка на преместването на единици (1) и нули (0).

Той изяснил, че тъй като частиците все повече се заплитат една с друга, информацията, която ги е описвала (1 – за спин по часовниковата стрелка и 0 – срещу часовниковата стрелка), ще се измести, за да даде описание на системата заплетени частици като цяло.

Сякаш частиците постепенно са загубили своята индивидуална автономия и са станали пионки на колективното съзнание. В този момент, както открил Лойд, частиците преминават в състояние на равновесие, тяхното състояние престава да се мени – като кафето, което се охлажда до стайната температура.

„Това, което наистина се случва, е, че нещата стават все по-взаимосвързани – казва Лойд. – Стрелата на времето е стрела на нарастващите съотношения.“

Идеята, представена в неговата докторска дисертация през 1988 година, не е била чута. Когато той я изпратил в научен журнал, му казали, че „в тази работа няма физика“. Теорията на квантовата информация „беше дълбоко непопулярна“ в това време, казва Лойд, и въпросът за стрелата на времето „остана при чудаците и Нобеловите лауреати, които се пенсионираха“.

„Бях дяволски близо до това да стана таксиметров шофьор“, разказва Лойд.

Оттогава постиженията в областта на квантовите изчисления са превърнали теорията на квантовата информация в една от най-активните области на физиката. Сега Лойд е професор в Масачузетския технологичен институт и е признат за един от основателите на дисциплината. Неговите забравени идеи са изплували в по-уверена форма в главите на физиците в Бристол. Доказателствата му са по-общи, казват учените, и са приложими към всяка квантова система.

„Когато Лойд изказа своята идея в дисертацията си, светът не беше готов – казва Ренато Ренер, ръководител на Института по теоретична физика в ETH Zurich. – Никой не го разбираше. Понякога е необходимо идеите да идват в необходимото време.“

През 2009 година доказателството на групата бристолски физици предизвикало отклик сред квантовите информационни физици, откривайки нови начини за приложение на техните методи.

То показало, че според това как обектите взаимодействат със своето обкръжение – както частиците в чашата кафе се сблъскват с въздуха, например – информацията за техните свойства „изтича и се намазва върху цялата околна среда“, пояснява Попеску.

Тази локална загуба на информация води дотам, че състоянието на кафето стига застой, дори ако чистото състояние на цялата стая продължава да се развива. С изключение на редки случайни флуктуации, казва ученият, „неговото състояние престава да се променя с времето“.

Получава се, че студената чаша с кафе не може да се затопли спонтанно. По принцип, според еволюцията на чистото състояние на стаята, кафето може внезапно да стане изведнъж без примеси от въздуха и да влезе в чистото състояние на своите собствени. Но за кафето са много по-достъпни смесени състояния, отколкото чисти, че това практически никога не се случва – по-скоро Вселената ще свърши, отколкото да можем да го засвидетелстваме.

Тази статистическа слаба вероятност прави стрелата на времето необратима.

„Всъщност заплитането отваря голямо пространство за вас – коментира Попеску. – Представете си, че се намирате в парка и се озовете пред врата, далече от равновесието. Щом преминете през нея, попадате в огромно пространство и се загубвате в него. И никога не можете да се върнете към вратата.“

В новата история на стрелата на времето информацията се губи в процеса на квантово заплитане, а не поради субективна липса на човешко познание, което привежда в равновесие чашата кафе и стаята. Стаята в края на краищата се изравнява с външната среда, а средата – още по-бавно – пристъпва към равновесие с останалата част на Вселената.

Гигантите на термодинамиката от XIX век са разглеждали този процес като постепенно разсейване на енергията, което увеличава общата ентропия, или хаоса, на Вселената. Днес Лойд, Попеску и други в тази сфера виждат стрелата на времето различно.

Според тях информацията става все по-дифузна, но никога не изчезва напълно. Макар локално ентропията да расте, общата ентропия на Вселената остава постоянна и равна на нула.

„Като цяло Вселената се намира в чисто състояние – казва Лойд. – Но отделни нейни части, тъй като са заплетени с останалата част на Вселената, са смесени“.

Един от аспектите на стрелата на времето остава нерешен.

„В тези работи няма нищо, което обяснява защо започвате от вратата – казва Попеску, връщайки се към аналогията с парка. – С други думи тя не обяснява защо изначалното състояние на Вселената е било далече от равновесието.“ Ученият намеква, че този въпрос се отнася към природата на Големия взрив.

Въпреки постигнатия неотдавна напредък в изчисляването на времето на уравновесяване, новият подход досега не може да стане инструмент за изчисляване на термодинамичните свойства на конкретни неща, от рода на кафето, чашата или екзотичните състояния на материята.

„Работата е там, че е необходимо да откриете критерии, при които нещата се държат като стъкло за прозорец или чаша за чай – казва Ренер. – Аз мисля, че виждам новите работи като стъпка в тази посока, но трябва да се направи много повече.“

Някои изследователи изразяват съмнение, че този абстрактен подход към термодинамиката някога ще може точно да обясни как се държат конкретни наблюдавани обекти. Но концептуалните постижения и новият математически формализъм вече помагат на изследователите да си задават теоретични въпроси от областта на термодинамиката, например за фундаменталните предели на квантовите компютри и дори за крайната съдба на Вселената.

„Ние все повече и повече мислим за това, което можем да направим с квантовите машини – казва Пол Скрижипчик от Института за фотонни науки в Барселона. – Да допуснем, че системата още не се намира в състояние на равновесие и ние искаме да си намерим работа извън нея. Колко полезна работа можем да извлечем? Как мога да се намеся, за да направя нещо интересно?“

Шон Карол, теоретик космолог от Калифорнийския технологичен институт, приема новия формализъм в своята последна работа за стрелата на времето в космологията.

„Интересувам се от дългосрочната съдба на космологичното пространство-време – казва Карол, автор на книгата „От вечността до тук: Търсене на окончателна теория на времето“. – В тази ситуация ние наистина не знаем всички съответни закони на физиката, затова има смисъл да се обърнем към абстрактното ниво и тук аз смятам, че ще този квантовомеханичен подход ми е полезен.“

Двадесет и шест години след грандиозния провал на идеята на Лойд за стрелата на времето той е щастлив да бъде свидетел на нейния възход и се опитва да приложи идеите на последното изследване към парадокса на информацията, попадаща в черна дупка.

„Смятам, че сега ще има консенсус, че в тази идея има физика.“

А защо не – и малко философия.

Според учените нашата способност да помним миналото, но не и бъдещето, друга проява на стрелата на времето, също може да се разглежда като натрупване на корелации между взаимодействащите си частици. Когато четеш нещо от лист хартия, мозъкът корелира с информацията чрез фотоните, които достигат очите. Само от този момент нататък вие ще сте способни да си спомните какво е написано на хартията.

„Настоящето може да бъде определено чрез процеса на свързване (или установяване на корелации) със заобикалящата ни среда“, отбелязва Лойд.

Фон на стабилния ръст на заплитането в цялата Вселена, разбира се, е самото време.

Физиците подчертават, че независимо от големите успехи в разбирането на това как протичат измененията във времето, те не са постигнали никакъв напредък в разбирането на природата на самото време или защо то се отличава от трите други пространствени измерения. Попеску нарича тази загадка „една от най-големите неизвестни в областта на физиката“.

„Можем да обсъждаме факта, че преди час нашият мозък е бил в състояние, което е било свързано с по-малко неща – казва той. – Но нашето възприятие, че времето тече, е съвсем друго нещо. По-скоро се нуждаем от допълнителна революция във физиката, която да ни открие тази тайна.“

QuantaMagazine