Kava se hladi, zgrade se urušavaju, razbijaju se jaja, a zvijezde izlaze u svemir koji je predodređen za preusmjeravanje na monotoniju jaja poznatog kao toplinska ravnoteža. Astronom i filozof sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) izjavio je 1927. da je postepeno rasipanje energije dokaz nepovratnosti "strelice vremena".
No zbunjenosti čitavih generacija fizičara, pojam strelice vremena ne odgovara osnovnim zakonima fizike koji vremenom djeluju i u smjeru naprijed i u suprotnom smjeru. Prema tim zakonima, ako bi netko znao staze svih čestica u svemiru i preokrenuo ih, energija bi se akumulirala, a ne rasipala: hladna kava bi se počela zagrijavati, zgrade bi se izdizale iz ruševina, a sunčevo svjetlo bilo bi usmjereno natrag prema Suncu.
„Imali smo poteškoće u klasičnoj fizici“, kaže profesorica Sandu Popescu, koja predaje fiziku na Sveučilištu u Bristolu u Britaniji. "Kad bih znao više, bih li mogao skrenuti plimu i sastaviti sve molekule u razbijenom jajetu?"
Naravno, kaže, strelicom vremena ne vlada ljudsko neznanje. Pa ipak, od zore termodinamike 1850-ih, jedini poznati način izračunavanja širenja energije bila je formula za statističku raspodjelu nepoznatih putanja čestica i demonstraciju koja neznanje zamagljuje sliku vremenom.
Fizičari sada otkrivaju temeljniji izvor strelice vremena. Energija se rasipa i predmeti dovode u ravnotežu, kažu, jer se elementarne čestice zaplete u interakciju. Oni su taj čudni efekt nazvali "kvantnim miješanjem" ili zapletom.
"Napokon možemo shvatiti zašto šalica kave u sobi dolazi u ravnotežu s njom", kaže kvantni fizičar iz Bristola, Tony Short. "Postoji zbrka između stanja šalice kave i stanja u sobi."
Popescu, Short i njihovi kolege Noah Linden i Andreas Winter izvijestili su o svom otkriću u časopisu Physical Review E 2009. godine, navodeći kako predmeti dovode u ravnotežu ili ravnomjerno raspoređena energija na neodređeno vrijeme dugo vremena zbog kvantnog mehaničkog miješanja s okolinom. Slično otkriće nekoliko mjeseci ranije napravio je Peter Reimann sa Sveučilišta Bielefeld u Njemačkoj, objavivši svoja otkrića u Physical Review Letters. Kratki i kolege podržali su svoj slučaj 2012. godine, pokazujući da zapletanje potiče ravnotežu u ograničenom vremenu. I u radu objavljenom u veljači na arXiv-u. org, dva odvojena tima poduzeli su sljedeći korak, računajući kako većina fizičkih sustava brzo uravnoteži vrijeme izravno proporcionalno njihovoj veličini."Da bismo pokazali da se to odnosi na naš stvarni fizički svijet, procesi se moraju odvijati u razumnom vremenskom okviru", kaže Short.
Tendencija kave (i svega ostalog) da dođe u ravnotežu je „vrlo intuitivna“, kaže Nicolas Brunner, kvantni fizičar sa Sveučilišta u Ženevi. "Ali objašnjavajući razloge za to, prvi put imamo čvrste temelje s obzirom na mikroskopsku teoriju."
Promotivni video:
Ako je nova linija istraživanja točna, tada povijest strelice vremena počinje kvantno mehaničkom idejom da je priroda u osnovi neodređena. Elementarna čestica lišena je specifičnih fizičkih svojstava, a određuje se samo vjerojatnošću da se nalaze u određenim stanjima. Na primjer, u određenom trenutku čestica se može okretati u smjeru kazaljke na satu s 50% vjerojatnosti, a u smjeru suprotnom od kazaljke na satu s 50% vjerojatnosti. Eksperimentalno testirani teorem sjevernog irskog fizičara Johna Bellu tvrdi da ne postoji "pravo" stanje čestica; vjerojatnosti su jedina stvar koja se može opisati.
Kvantna neizvjesnost neizbježno vodi u zbrku - navodni izvor strelice vremena.
Kada dvije čestice djeluju, one se više ne mogu opisati zasebnim, neovisno razvijajućim se vjerojatnostima koje se nazivaju "čista stanja". Umjesto toga, one postaju zapletene komponente složenije distribucije vjerojatnosti koje zajedno opisuju dvije čestice. Mogu, na primjer, naznačiti da se čestice vrte u suprotnim smjerovima. Sustav u cjelini je u čistom stanju, ali stanje svake čestice je "pomiješano" sa stanjem druge čestice. Obje se čestice mogu kretati nekoliko svjetlosnih godina, ali rotacija jedne čestice će biti u korelaciji s drugom. Albert Einstein opisao je to kao „sablasno djelovanje na daljinu“.
"Zapletenost je u izvjesnom smislu suština kvantne mehanike", odnosno zakona koji reguliraju interakcije na subatomskoj ljestvici, kaže Brunner. Ova pojava je u srži kvantnog računanja, kvantne kriptografije i kvantne teleportacije.
Ideja da zbrka može objasniti strelicu vremena prvi put je pala na pamet Sethu Lloydu prije 30 godina, kada je 23-godišnji diplomirani filozof na Sveučilištu Cambridge, diplomirao fiziku na Harvardu. Lloyd je shvatio da kvantna nesigurnost i njeno širenje česticama koje se zaplete više mogu zamijeniti ljudsku nesigurnost (ili neznanje) u starim klasičnim dokazima i postati pravi izvor strelice vremena.
Koristeći se malo poznatim kvantno mehaničkim pristupom u kojem su jedinice informacija osnovni građevni blokovi, Lloyd je proveo nekoliko godina proučavajući evoluciju čestica u smislu izmještanja i nula. Otkrio je da će se čestice sve više i više miješati jedna s drugom, a informacije koje ih opisuju (na primjer, 1 za rotaciju u smjeru kazaljke na satu i 0 za obrnuto u smjeru kazaljke na satu) ići će opisati sustav upletenih čestica kao cjeline. Činilo se da čestice postupno gube neovisnost i postaju zalagači kolektivne države. S vremenom se sve informacije prenose u te kolektivne skupine, dok ih pojedinačne čestice uopće nemaju. U ovom trenutku, kao što je Lloyd otkrio, čestice ulaze u ravnotežno stanje, a njihova stanja prestaju se mijenjati, poput šalice kave koja se hladi do sobne temperature.
"Što se zapravo događa? Stvari postaju sve međusobno povezane. Strelica vremena je strelica rasta korelacija."
Ova ideja, iskazana u Lloydovoj doktorskoj disertaciji 1988., prošla je bez zanemarivanja. Kad je znanstvenik poslao članak o tome u redakciju časopisa, rečeno mu je da "u ovom radu nema fizike". Kvantna teorija informacija "bila je u to vrijeme vrlo nepopularna", kaže Lloyd, a pitanja o streli vremena "bili su puno psihopata i ludi nobelovci".
"Prilično sam proklet bio da postanem taksist", rekao je.
Od tada, napredak u kvantnom računanju pretvorio je teoriju kvantnih informacija u jedno od najaktivnijih područja fizike. Lloyd je trenutno profesor na Massachusetts Institute of Technology, prepoznat je kao jedan od osnivača ove discipline, a njegove zaboravljene ideje oživljavaju napori fizičara iz Bristola. Novi su dokazi općenitiji, kažu znanstvenici i primjenjivi na bilo koji kvantni sustav.
"Kad je Lloyd u svojoj disertaciji smislio ideju, svijet nije bio spreman za to", kaže Renato Renner, voditelj Instituta za teorijsku fiziku pri Švicarskoj visokoj tehničkoj školi u Zürichu. - Nitko ga nije razumio. Ponekad vam trebaju ideje kako biste došli u pravo vrijeme."
U 2009. godini dokazi tima Bristolskih fizičara odjeknuli su s kvantnim teoretičarima informacija koji su otkrili nove načine primjene svojih metoda. Pokazali su da kao predmeti u interakciji s njihovim okruženjem - poput čestica u šalici kave, komuniciraju sa zrakom - informacije o njihovim svojstvima "propuštaju se i šire kroz ovo okruženje", objašnjava Popescu. Ovaj lokalizirani gubitak podataka uzrokuje da stanje kave ostane nepromijenjeno, čak i ako se čisto stanje čitave sobe i dalje mijenja. S izuzetkom rijetkih slučajnih kolebanja, znanstvenik kaže, "njegovo se stanje s vremenom prestaje mijenjati."
Ispada da hladna šalica kave ne može biti spontano zagrijana. U osnovi, kako se čisti stanje sobe razvija, kava može iznenada pobjeći iz zraka u sobi i vratiti se u čisto stanje. Ali postoje mnogo više miješanih stanja nego čista stanja i praktički se kava nikad ne može vratiti u čisto stanje. Da bismo to vidjeli, morat ćemo živjeti duže od svemira. Ova statistička mala vjerojatnost čini strelicu vremena nepovratnom. "U osnovi, miješanje otvara ogroman prostor za nas", kaže Popescu. - Zamislite da se nalazite u parku s vratima ispred vas. Čim uđete u njih, vi ste izvan ravnoteže, nađite se u ogromnom prostoru i izgubite se u njemu. Nikad se nećete vratiti na kapiju."
U novoj povijesti strelice vremena informacije se gube u procesu kvantnog zapletanja, a ne zbog subjektivnog nedostatka ljudskog znanja o tome što dovodi šalicu kave i sobu u ravnotežu. Soba se na kraju uravnotežuje s vanjskim, a okruženje se još sporije kreće prema ravnoteži s ostatkom svemira. Termodinamički divovi 19. stoljeća ovaj su proces smatrali postupnim rasipanjem energije koja povećava ukupnu entropiju ili kaos svemira. Danas Lloyd, Popescu i drugi na terenu drugačije gledaju strelicu vremena. Po njihovom mišljenju, informacije postaju sve difuznije, ali nikada u potpunosti ne nestaju. Iako entropija raste lokalno, ukupna entropija svemira ostaje konstantna i jednaka je nuli.
"Sveukupno, svemir je u čistom stanju", kaže Lloyd. "Ali njegovi pojedinačni dijelovi, koji se isprepliću s ostatkom svemira, dolaze u miješano stanje."
Ali jedna misterija strelice vremena ostaje neriješena. "Nema ništa u tim djelima što ne objašnjava zašto počinjete na vratima", kaže Popescu, vraćajući se analogiji parku. "Drugim riječima, oni ne objašnjavaju zašto je prvobitno stanje svemira bilo daleko od ravnoteže." Znanstvenik nagovještava da se ovo pitanje odnosi na prirodu Velikog praska.
Unatoč nedavnom napretku u proračunu vremena ravnoteže, novi pristup još uvijek ne može biti alat za izračunavanje termodinamičkih svojstava specifičnih stvari poput kave, čaše ili neobičnih stanja materije. (Neki tradicionalni termodinamičari kažu da znaju vrlo malo o novom pristupu.) "Poanta je da morate pronaći kriterije za to kako se stvari ponašaju poput prozorskog stakla i koje kao šalica čaja", kaže Renner. "Mislim da ću vidjeti novi posao u ovom smjeru, ali ima još puno toga za napraviti."
Neki istraživači postavljaju pitanje da li će ovaj apstraktni pristup termodinamici ikada moći točno objasniti kako se ponašaju određeni promatrači. Ali konceptualni napredak i novi skup matematičkih formula već pomažu istraživačima da postave teorijska pitanja u termodinamici, poput temeljnih ograničenja kvantnih računala, pa čak i konačnih sudbina svemira.
"Sve više razmišljamo o tome što se može učiniti s kvantnim strojevima", kaže Paul Skrzypczyk s Instituta za fotonske znanosti u Barceloni. - Recimo da sustav još nije u ravnoteži, i želimo ga natjerati da funkcionira. Koliko korisnog rada možemo izdvojiti? Kako mogu intervenirati da učinim nešto zanimljivo?"
Caltech teoretičar kosmologije Sean Carroll primjenjuje nove formule u svom posljednjem radu o strelici vremena u kozmologiji. "Zanima me najdugovječnija sudbina kosmološkog prostora-vremena", kaže Carroll, koji je napisao Od vječnosti do ovdje: Potraga za konačnom teorijom vremena. "U ovoj situaciji još uvijek ne znamo sve potrebne zakone fizike, tako da ima smisla okrenuti se apstraktnoj razini. Ovdje mislim da će nam ovaj kvantno-mehanički pristup pomoći."
Dvadeset i šest godina nakon neuspjeha Lloydove grandiozne ideje o streli vremena, uživa u njezinoj renesansi i pokušava primijeniti ideje posljednjeg djela paradoks informacija koje padaju u crnu rupu. "Mislim da će sada početi govoriti o činjenici da u ovoj ideji postoji fizika", kaže on.
A filozofija još više.
Prema znanstvenicima, naša sposobnost pamćenja prošlosti, ali ne i budućnosti, što je zbunjujuća manifestacija strelice vremena, može se promatrati i kao porast korelacija između interaktivnih čestica. Kad čitate bilješku na komadu papira, mozak se povezuje s informacijama putem fotona koji vam ulaze u oči. Samo se od ovog trenutka možete sjetiti što je napisano na papiru. Kao što Lloyd primjećuje, "sadašnjost se može okarakterizirati kao proces uspostavljanja povezanosti s našim okolišem."
Pozadina stalnog rasta tkanja u cijelom svemiru je, naravno, samo vrijeme. Fizičari naglašavaju da, unatoč velikom napretku u razumijevanju načina na koji se promjene događaju tijekom vremena, nisu približili razumijevanje same prirode vremena ili zašto se ono razlikuje od ostale tri dimenzije prostora (konceptualno i u jednadžbama kvantne mehanike) … Popescu ovu zagonetku naziva "jednom od najvećih nepoznanica fizike".
"Možemo razgovarati o tome da je prije sat vremena naš mozak bio u stanju koji je u korelaciji s manje stvari", kaže on. "Ali naše je shvaćanje da vrijeme prolazi potpuno drugačija stvar. Najvjerojatnije, trebat će nam nova revolucija u fizici koja će o tome govoriti."