Tiden går i en retning: fremover. Små gutter blir gamle menn, men ikke omvendt; tekopper knuses, men samles aldri spontant. Denne grusomme og uforanderlige egenskapen til universet, som kalles "tidens pil", er grunnleggende en konsekvens av termodynamikkens andre lov, som dikterer at systemer alltid vil ha en tendens til å bli mer uordnede over tid. Men nylig har forskere fra USA og Russland bøyd pilen bare litt - i det minste for subatomære partikler.
I den nye studien, publisert tirsdag (12. mars) i tidsskriftet Scientific Reports, manipulerte forskere tidens pil ved hjelp av en veldig liten kvantemaskin laget av to kvantepartikler, kjent som qubits, som utførte beregninger.
I den subatomære skalaen, der de rare reglene for kvantemekanikk holder seg, beskriver fysikere systemenes tilstand gjennom en matematisk konstruksjon kalt en bølgefunksjon. Denne funksjonen er et uttrykk for alle mulige tilstander systemet kan være i - til og med, i tilfelle av en partikkel, alle mulige plasseringer det kan være i - og sannsynligheten for at systemet er i noen av disse tilstandene til enhver tid. . Generelt, når tiden går, spres bølgefunksjoner; en partikkels mulige plassering kan være lenger borte hvis du venter en time enn hvis du venter 5 minutter.
Å angrer spredningen av bølgefunksjonen er som å prøve å legge sølt melk tilbake i flasken. Men det er nøyaktig hva forskerne oppnådde i dette nye eksperimentet.
"Det er i utgangspunktet ingen sjanse for at dette skjer på egen hånd," sa forsker Valerii Vinokur, fysiker ved Argonne National Laboratory i Illinois, til Live Science. "Det er som det å si, hvor hvis du gir en ape en skrivemaskin og mye tid, kan han kanskje skrive Shakespeare." Med andre ord, det er teknisk mulig, men så lite sannsynlig at det like godt kan være umulig.
Hvordan fikk forskerne det vesentlig umulige til å skje? Ved å kontrollere forsøket nøye.
"Du trenger virkelig mye kontroll for å få alle de ødelagte bitene av en tekopp til å komme sammen igjen," sa Stephen Bartlett, professor i fysikk ved University of Sydney, til Live Science. Bartlett var ikke involvert i studien. "Du må ha mye kontroll over systemet for å få det til å gjøre det ... og en kvantecomputer er noe som lar oss ha en enorm mengde kontroll over et simulert kvantesystem."
Forskerne brukte en kvantecomputer for å simulere en enkelt partikkel, og dens bølgefunksjon spredte seg over tid som en krusning i et tjern. Deretter skrev de en algoritme i kvantecomputeren som reverserte tidsutviklingen for hver eneste komponent av bølgefunksjonen, og i det vesentlige trakk den krusningen tilbake i partikkelen som skapte den. De oppnådde denne bragden uten å øke entropien, eller forstyrrelser andre steder i universet, og tilsynelatende trosset tidens pil.
Betyr dette at forskerne laget en tidsmaskin? Brøt de fysikkens lover? Svaret er nei til begge disse spørsmålene. Den andre loven om termodynamikk sier at rekkefølgen på universet må avta over tid, men ikke at det aldri kan forbli den samme i veldig spesielle tilfeller. Og dette eksperimentet var lite nok, kort nok og kontrollert nok til at universet verken fikk eller mistet energi.
"Det er veldig sammensatt og komplisert å sende bølger på et tjern tilbake" når de er blitt opprettet, sa Vinokur, "men vi så at dette var mulig i kvanteverdenen, i et veldig enkelt tilfelle." Det var med andre ord mulig da de brukte kontrollen som ble gitt dem av kvantemaskinen for å angre tidseffekten.
Etter å ha kjørt programmet, gikk systemet tilbake til sin opprinnelige tilstand 85 prosent av tiden. Når en tredje kvbit ble introdusert, lyktes imidlertid eksperimentet bare 50 prosent av tiden. Forskerne sa at kompleksiteten i systemet trolig økte for mye med den tredje kvbit, noe som gjorde det vanskeligere for kvantecomputeren å opprettholde kontrollen over alle aspekter av systemet. Uten den kontrollen kan entropi ikke holdes i sjakk, og tidsendringen er derfor ufullkommen. Likevel sikter de til større systemer og større kvantedatamaskiner for de neste trinnene, sa Vinokur til Live Science.
"Arbeidet er et fint bidrag til grunnlaget for fysikk," sa James Whitfield, professor i fysikk ved Dartmouth College i New Hampshire, som ikke var involvert i studien, til Live Science. "Det minner oss om at ikke alle anvendelser av kvanteberegning må være applikasjonsorienterte for å være interessante."
"Dette er nøyaktig grunnen til at vi bygger kvantedatamaskiner," sa Bartlett. "Dette er en demonstrasjon av at kvantemaskiner kan tillate oss å simulere ting som ikke skal forekomme i den virkelige verden."
