En ny teknikk for kvanteberegning kan bytte ut hele modellen for hvordan tiden beveger seg i universet.
Her er det som lenge så ut til å være sant: Tiden fungerer i en retning. Den andre retningen? Ikke så mye.
Det er sant i livet. (Tirsdag ruller inn onsdag 2018 inn i 2019, ungdom inn i alderdommen.) Og det er sant i en klassisk datamaskin. Hva betyr det? Det er mye enklere for litt programvare som kjører på den bærbare datamaskinen din å forutsi hvordan et komplekst system vil bevege seg og utvikle seg i fremtiden enn det er å gjenskape fortiden. En egenskap til universet som teoretikere kaller "kausal asymmetri" krever at det tar mye mer informasjon - og mye mer komplekse beregninger - for å bevege seg i en retning gjennom tid enn det gjør for å bevege seg i den andre. (Rent praktisk sett er det enklere å komme frem i tid.)
Dette har virkelige konsekvenser. Meteorologer kan gjøre en rimelig god jobb med å forutsi om det vil regne om fem dager basert på dagens værradardata. Men be de samme meteorologene om å regne ut om det regnet for fem dager siden ved å bruke dagens radarbilder? Det er en mye mer utfordrende oppgave, som krever mye mer data og mye større datamaskiner.
Informasjonsteoretikere mistenkte i lang tid at kausal asymmetri kan være et grunnleggende trekk i universet. Så lenge siden som 1927 argumenterte fysikeren Arthur Eddington for at denne asymmetrien er grunnen til at vi bare går fremover gjennom tiden, og aldri bakover. Hvis du forstår universet som en gigantisk datamaskin som stadig beregner vei gjennom tid, er det alltid enklere - mindre ressurskrevende - for ting å flyte frem (årsak, deretter virkning) enn bakover (effekt, deretter årsak). Denne ideen kalles "tidens pil."
Men en ny artikkel, som ble publisert 18. juli i tidsskriftet Physical Review X, åpner for muligheten for at den pilen er en gjenstand for beregning i klassisk stil - noe vi bare syntes å være tilfelle på grunn av våre begrensede verktøy.
Et team av forskere fant ut at under visse omstendigheter kausal asymmetri forsvinner inne i kvantecomputere, som beregner på en helt annen måte - I motsetning til klassiske datamaskiner der informasjon er lagret i en av to tilstander (1 eller 0), med kvantecomputere, lagres informasjon i subatomære partikler som følger noen bisarre regler, og så kan hver enkelt være i mer enn én tilstand på samme tid. Og enda mer lokkende peker deres papir veien mot fremtidig forskning som kan vise kausal asymmetri ikke virkelig eksisterer i universet i det hele tatt.
Hvordan er det?
Veldig ryddige og veldig tilfeldige systemer er enkle å forutsi. (Tenk på en pendel - bestilt - eller en sky av gass som fyller et rom - forstyrret.) I denne artikkelen så forskerne på fysiske systemer som hadde en gullilåses nivå av forstyrrelse og tilfeldighet - ikke for lite og ikke for mye. (Så, noe som et utviklende værsystem.) Dette er veldig vanskelig for datamaskiner å forstå, sa studiens medforfatter Jayne Thompson, en kompleksitetsteoretiker og fysiker som studerer kvanteinformasjon ved National University of Singapore.
Deretter prøvde de å finne ut av systemenes avspill og fremtider ved bruk av teoretiske kvantedatamaskiner (ingen fysiske datamaskiner involvert). Ikke bare brukte disse modellene av kvantemaskiner mindre minne enn de klassiske datamodellene, sa hun, de klarte å løpe i begge retninger gjennom tiden uten å bruke opp ekstra minne. Kvantemodellene hadde med andre ord ingen kausal asymmetri.
"Mens det klassisk er, kan det være umulig for prosessen å gå i en av retningene," sa Thompson til Live Science, "resultatene våre viser at 'kvantemekanisk', prosessen kan gå i begge retninger ved å bruke veldig lite minne."
Og hvis det er sant inne i en kvantecomputer, er det sant i universet, sa hun.
Kvantefysikk er studiet av den rare probabilistiske oppførselen til veldig små partikler - alle de veldig små partiklene i universet. Og hvis kvantefysikk er sant for alle brikkene som utgjør universet, er det sant for selve universet, selv om noen av dets ringere effekter ikke alltid er opplagte for oss. Så hvis en kvantecomputer kan operere uten kausal asymmetri, kan universet også gjøre det.
Å se en serie bevis om hvordan kvantedatamaskiner en dag vil fungere, er selvfølgelig ikke det samme som å se effekten i den virkelige verden. Men vi er fremdeles langt unna kvantedatamaskiner som er avanserte nok til å kjøre den typen modeller denne artikkelen beskriver, sa de.
Thompson sa dessuten at denne forskningen ikke viser at det ikke er noen årsakssymmetri noe sted i universet. Hun og kollegene viste at det ikke er noen asymmetri i en håndfull systemer. Men det er mulig, sa hun, at det er noen veldig nakne kvantemodeller der noe kausal asymmetri dukker opp.
"Jeg er agnostiker på det punktet," sa hun.
For nå.
Det neste trinnet for denne forskningen, sa hun, er å svare på det spørsmålet - å finne ut om årsakssymmetri eksisterer i noen kvantemodeller.
Denne artikkelen beviser ikke at tiden ikke eksisterer, eller at vi en dag vil kunne gli bakover gjennom den. Men det ser ut til å vise at en av de viktigste byggesteinene i vår forståelse av tid, årsak og virkning, ikke alltid fungerer på den måten forskere lenge har antatt - og kanskje ikke fungerer slik. Hva det betyr for tidens form, og for oss andre, er fremdeles noe av et åpent spørsmål.
Den virkelige praktiske fordelen med dette arbeidet, sa hun, er at kvantedatamaskiner nedover veien kan være i stand til enkelt å kjøre simuleringer av ting (som været) i begge retninger gjennom tid, uten alvorlige vanskeligheter. Det ville være en sjøskifte fra den nåværende klassiske modelleringsverdenen.
