Новая квантовая теория может объяснить поток времени — «наука»
Кофе остывает, строения разрушаются, яйца разбиваются, а звезды меркнут во вселенной, которая как словно бы обречена на переход к серому однообразию, известному как тепловое равновесие. философ и Астроном господин Артур Эддингтон (Arthur Eddington) во второй половине 20-ых годов XX века объявил, что постепенное рассеивание энергии есть доказательством необратимости «стрелы времени».
Но к удивлению целых поколений физиков, понятие стрелы времени не соответствует фундаментальным законам физики, каковые во времени действуют как в прямом направлении, так и в противоположном. В соответствии с этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и обратил их вспять, энергия стала бы накапливаться, а не рассеиваться: холодный кофе начал бы нагреваться, строения подниматься из руин, а солнечный свет направился бы обратно к Солнцу.
«В хорошей физике у нас были сложности, — говорит доктор наук Санду Попеску (Sandu Popescu), преподающий физику в английском Бристольском университете. — Если бы я знал больше, имел возможность бы я обратить движение события вспять и собрать воедино все молекулы разбитого яйца?»
Само собой разумеется, говорит он, стрела времени не управляется людской незнанием. И все же, с момента зарождения термодинамики в 1850-е годы единственным известным методом расчета распространения энергии была формула статистического распределения малоизвестных траекторий частиц и демонстрация того, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.
Сейчас физики вскрывают более фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается, и объекты приходят в равновесие, говорят они, по причине того, что элементарные частицы при сотрудничестве спутываются. Данный необычный эффект они назвали «квантовым смешением», либо запутанностью.
«Наконец мы можем осознать, из-за чего чашка кофе в помещении приходит в равновесие с ней, — говорит квантовый физик из Бристоля Тони Шорт (Tony Short). — Появляется смешение между состоянием чашки кофе и состоянием помещения».
Попеску, их коллеги и Шорт Ной Линден (Noah Linden) и Андреас Уинтер (Andreas Winter) сказали о собственном открытии в издании Physical Review E в 2009 году, объявив, что предметы приходят в равновесие, либо в состояние равномерного распределения энергии, в течение неизвестно продолжительного времени за счет квантово-механического смешения с окружающей средой. Похожее открытие несколькими месяцами раньше сделал Питер Рейман (Peter Reimann) из Билефельдского университета в Германии, опубликовав собственные выводы в Physical Review Letters.
Шорт и сотрудники подкрепили собственные аргументы в 2012 году, продемонстрировав, что запутанность приводит к равновесию за конечное время. А в работе, размещённой в феврале на сайте arXiv. org, две отдельные группы предприняли следующий ход, вычислив, что большая часть физических совокупностей скоро уравновешиваются за время, прямо пропорциональное их размеру. «Дабы продемонстрировать, что это применимо к нашему настоящему физическому миру, процессы должны происходить в разумных временных рамках», — говорит Шорт.
Тенденция кофе (и всего остального) приходить в равновесие «весьма интуитивна», вычисляет Николас Бруннер (Nicolas Brunner), трудящийся квантовым физиком в Женевском университете. «Но при объяснении обстоятельств этого мы в первый раз имеем жёсткие основания с учетом микроскопической теории».
© РИА Новости, Владимир Родионов | Перейти в фотобанкРуины Парфенона на Акрополисе
В случае если новое направление изучений правильно, то история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в собственной базе природа изначально неизвестна. Элементарная частица лишена конкретных физических особенностей, и она определяется лишь возможностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентной возможностью вращаться по часовой стрелке и с 50-процентной против часовой.
Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла (John Bell) гласит, что нет «подлинного» состояния частиц; возможности это единственное, что возможно применять для его описания.
Квантовая неопределенность неизбежно ведет к смешению — предполагаемому источнику стрелы времени.
В то время, когда две частицы взаимодействуют, их уже нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися возможностями называющиеся «чистые состояния». Вместо этого, они становятся перепутанными компонентами более сложного распределения возможностей, каковые обрисовывают две частицы совместно. Они смогут, к примеру, указать на то, что частицы вращаются в противоположных направлениях.
Совокупность в целом будет в чистом состоянии, но состояние каждой частицы «смешано» с состоянием второй частицы.
Обе частицы смогут двигаться на расстоянии нескольких световых лет друг от друга, но вращение одной частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен прекрасно обрисовал это как «ужасное воздействие на расстоянии».
«Запутанность это в некоем смысле сущность квантовой механики», либо законов, регулирующих сотрудничества в субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в базе квантовых вычислений, квантовой телепортации и квантовой криптографии.
Мысль того, что смешением возможно растолковать стрелу времени, в первый раз 30 лет назад пришла в голову Сету Ллойду (Seth Lloyd), в то время, когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета со степенью Гарварда по физике. Ллойд осознал, что квантовая ее распространение и неопределённость по мере того, как частицы становятся все более перепутанными, может прийти на смену неуверенности (либо незнанию) человека в ветхих хороших доказательствах и стать подлинным источником стрелы времени.
Применяя неизвестный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются главными строительными кирпичиками, Ллойд пара лет изучал эволюцию частиц с позиций перетасовки единиц и нулей. Он узнал, что по мере того, как частицы все больше смешиваются между собой, информация, которая их обрисовывала (к примеру, 1 для вращения по часовой стрелке, и 0 — против часовой), перейдет на описание совокупности запутанных частиц в целом.
Частицы как словно бы неспешно теряли собственную самостоятельность и становились пешками коллективного состояния. Со временем все данные переходит в эти коллективные скопления, а у отдельных частиц ее не остается по большому счету. Сейчас, как нашёл Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, и их состояния перестают изменяться, как будто бы чашка кофе остывает до комнатной температуры.
«Что происходит в действительности? Вещи становятся более взаимосвязаннями. Стрела времени — это стрела роста корреляций».
Эта мысль, изложенная в диссертации Ллойда во второй половине 80-ых годов двадцатого века, не была услышана. В то время, когда ученый послал статью об этом в редакцию издания, ему заявили, что «в данной работе нет физики». Теория квантовой информации «была глубоко непопулярна» в то время, говорит Ллойд, и вопросы о стреле времени «были уделом психов и тронувшихся умом нобелевских лауреатов».
«Я был чертовски близок к тому, дабы стать водителем такси», — сообщил он.
С того времени успехи в области квантовых вычислений перевоплотили теорию квантовой информации в одну из самых активных областей физики. На данный момент Ллойд трудится доктором наук Массачусетского технологического университета, он признан одним из основателей данной дисциплины, и его забытые идеи оживают упрочнениями физиков из Бристоля. Новые доказательства являются более неспециализированными, говорят ученые, и применимы к любой квантовой совокупности.
«В то время, когда Ллойд высказал идею в собственной диссертации, мир был не готов к ней, — говорит начальник Университета теоретической физики при Швейцарской высшей технической школе Цюриха Ренато Реннер (Renato Renner). — Никто не понимал его. Время от времени необходимо, дабы идеи приходили в необходимое время».
В 2009 году доказательства коллектива бристольских физиков нашли отклик у теоретиков квантовой информации, каковые открыли новые методы применения их способов. Они продемонстрировали, что по мере того, как объекты взаимодействуют с окружающей средой — как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом — информация об их особенностях «утекает и растекается по данной среде», поясняет Попеску.
Эта локальная утрата информации ведет к тому, что состояние кофе остается неизменным, даже в том случае, если чистое состояние всей помещения меняется . За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает изменяться во времени».
Получается, холодная чашка кофе не имеет возможности спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния помещения, кофе может неожиданно выделиться из воздуха помещения и возвратиться в чистое состояние. Но смешанных состояний значительно больше, чем чистых, и фактически кофе ни при каких обстоятельствах не сможет возвратиться в чистое состояние.
Дабы заметить это, нам нужно будет жить продолжительнее вселенной. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой. «По сути дела, смешение открывает для нас огромное пространство, — говорит Попеску. — Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Когда вы входите в них, вы выходите из равновесия, попадаете в огромное пространство и теряетесь в нем.
К воротам вы не возвратитесь ни при каких обстоятельствах».
В новой истории стрелы времени информация теряется в ходе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия людских знаний о том, что приводит в равновесие чашку кофе и помещение. Помещение в итоге уравновешивается с внешней средой, а среда еще медленнее движется к равновесию с другой вселенной. Гиганты термодинамики 19-го столетия разглядывали данный процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает неспециализированную энтропию, либо хаос вселенной.
Сейчас же Ллойд, Попеску и другие эксперты из данной области разглядывают стрелу времени по-второму. Согласно их точке зрения, информация делается все более диффузной, но ни при каких обстоятельствах не исчезает всецело. Не смотря на то, что локально энтропия растет, неспециализированная энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.
«В целом вселенная будет в чистом состоянии, — говорит Ллойд. — Но отдельные ее части, переплетаясь с другой частью вселенной, приходят в смешанное состояние».
Но одна тайная стрелы времени остается неразгаданной. «В этих работах ничто не растолковывает, из-за чего вы начинаете с ворот, говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. — Иначе говоря они не растолковывают, из-за чего изначальное состояние вселенной было на большом растоянии от равновесия». Ученый намекает на то, что данный вопрос относится к природе Громадного взрыва.
Не обращая внимания на недавние удачи в расчетах времени уравновешивания, новый подход до сих пор не имеет возможности стать инструментом для расчета термодинамических особенностей конкретных вещей типа кофе, стекла либо необыкновенных состояний материи. (Кое-какие эксперты по классической термодинамике говорят, что мало знают о новом подходе). «Дело в том, что необходимо отыскать критерии для того, какие конкретно вещи ведут себя как оконное стекло, а какие конкретно как чашка чая, — говорит Реннер. — Я пологаю, что замечу новые работы в этом направлении, но сделать предстоит еще довольно много».
Кое-какие исследователи выразили сомнение в том, что данный слишком общий подход к термодинамике когда-нибудь сможет совершенно верно растолковать, как ведут себя конкретные замечаемые объекты. Но новая совокупность и концептуальные достижения математических формул уже оказывают помощь исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, к примеру о фундаментальных ограничениях квантовых компьютеров а также о конечной судьбе Вселенной.
«Мы все больше думаем о том, что возможно сделать с квантовыми автомобилями, — говорит Пол Скржипчик (Paul Skrzypczyk) из Университета фотонных наук в Барселоне. — Допустим, совокупность еще не будет в состоянии равновесия, и мы желаем вынудить ее трудиться. какое количество нужной работы мы сможем извлечь? Как я смогу вмешаться, дабы сделать что-нибудь увлекательное?»
Квантовый компьютер в людской мозге?
Futura-Sciences29.01.2014Как наноспутник может добраться до звезды
Wired Magazine17.04.2016Красота как тайное оружие физики
Nautilus25.01.2016
Теоретик космологии из Калифорнийского технологического университета Шон Кэрролл (Sean Carroll) использует новые формулы в собственной последней работе о стреле времени в космологии. «Мне увлекательна действительно долговременная будущее космологического пространства-времени, — говорит Кэрролл, написавший книгу From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Из бесконечности ко мне. Поиски конечной теории времени). — В данной ситуации мы еще не знаем всех нужных законов физики, исходя из этого имеется суть обратиться к абстрактному уровню, и тут, как мне думается, нам окажет помощь данный квантово-механический подход».
Спустя двадцать шесть лет по окончании провала грандиозной идеи Ллойда о стреле времени он с наслаждением следит за ее восстановлением и пробует применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру. «Думаю, на данный момент все же заговорят о том, что в данной идее имеется физика», — заявляет он.
А философия и подавно.
Согласно мнению ученых, отечественная свойство не забывать прошлое, но не будущее, что есть сбивающим с толку проявлением стрелы времени, кроме этого может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. В то время, когда просматриваешь записку на листе бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, каковые попадают в ваши глаза. Лишь с этого момента вы имеете возможность запомнить, что написано на бумаге.
Как отмечает Ллойд, «настоящее возможно охарактеризовать как процесс установления корреляций с нашим окружением».
Фоном для устойчивого роста переплетений во всей вселенной есть, само собой разумеется, само время. Физики выделяют, что не обращая внимания на громадные удачи в понимании того, как происходят трансформации во времени, они ни на ход не приблизились к пониманию природы самого времени либо того, из-за чего оно отличается от трех вторых измерений пространства (в концептуальном замысле и в уравнениях квантовой механики). Попеску именует эту тайную «одним из величайших малоизвестных в физике».
«Мы можем обсуждать то, что час назад отечественный мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, — говорит он. — Но отечественное восприятие того, что время идет — это совсем другое дело. Вероятнее, нам пригодится новая революция в физике, которая поведает об этом».
Подписывайтесь на отечественный канал в Telegram!
Каждый день вечером вам будет приходить подборка самых броских и занимательных переводов ИноСМИ за сутки.
Отыщите в контактах@inosmichannelи добавьте его к себе в контакты либо
перейдите, предварительно пройдя регистрацию, перейдите на страницу канала.
