Timpul merge într-o direcție: înainte. Băieții mici devin bătrâni, dar nu invers; ceainele se sparg, dar niciodată nu se reasamblează spontan. Această proprietate crudă și imuabilă a universului, numită „săgeata timpului”, este fundamental o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii, care dictează că sistemele vor tinde întotdeauna să devină mai dezordonate în timp. Însă recent, cercetătorii din SUA și Rusia au îndoit acea săgeată doar un pic - cel puțin pentru particule subatomice.
În noul studiu, publicat marți (12 martie) în revista Scientific Reports, cercetătorii au manipulat săgeata timpului folosind un computer cuantic foarte minuscul format din două particule cuantice, cunoscute sub numele de qubits, care efectuează calcule.
La scala subatomica, unde regulile ciudate ale mecanicii cuantice se mentin, fizicienii descriu starea sistemelor printr-o constructie matematica numita functie de unda. Această funcție este o expresie a tuturor stărilor posibile în care sistemul ar putea fi - chiar, în cazul unei particule, toate locațiile posibile în care ar putea fi - și probabilitatea ca sistemul să fie în oricare dintre aceste stări la un moment dat. . În general, pe măsură ce trece timpul, funcțiile de undă se răspândesc; locația posibilă a unei particule poate fi mai departe dacă aștepți o oră decât dacă aștepți 5 minute.
Renunțarea la răspândirea funcției de undă este ca și cum ai încerca să introduci lapte vărsat înapoi în flacon. Dar exact asta au realizat cercetătorii în acest nou experiment.
"Practic nu există nicio șansă ca acest lucru să se întâmple singur", a declarat cercetătorul principal Valerii Vinokur, fizician la Laboratorul Național Argonne din Illinois, la Live Science. „Este ca această zicală, în cazul în care dacă îi dai maimuței o mașină de scris și mult timp, poate scrie Shakespeare.” Cu alte cuvinte, este posibil din punct de vedere tehnic, dar atât de puțin probabil poate fi și imposibil.
Cum au făcut oamenii de știință să se întâmple esențial imposibil? Prin controlul atent al experimentului.
„Aveți nevoie de mult control pentru a face ca toate bucățile rupte ale unui ceainic să revină”, a declarat Știința Bartle, profesor de fizică la Universitatea din Sydney. Bartlett nu a fost implicat în studiu. „Trebuie să controlați sistemul pentru a face acest lucru ... iar un computer cuantic este ceva care ne permite să avem o cantitate imensă de control asupra unui sistem cuantic simulat”.
Cercetătorii au folosit un computer cuantic pentru a simula o singură particulă, funcția sa de undă răspândindu-se de-a lungul timpului ca o ondulare într-un iaz. Apoi, au scris un algoritm în computerul cuantic care a inversat evoluția în timp a fiecărei componente a funcției de undă, trăgând în esență această ondulare în particula care a creat-o. Ei au realizat acest obiectiv fără a crește entropia sau tulburarea în altă parte a universului, aparent sfidând săgeata timpului.
Aceasta înseamnă că cercetătorii au făcut o mașină a timpului? Au încălcat legile fizicii? Răspunsul este nu la ambele întrebări. A doua lege a termodinamicii spune că ordinea universului trebuie să scadă în timp, dar nu că nu poate rămâne niciodată aceeași în cazuri foarte speciale. Și acest experiment a fost suficient de mic, suficient de scurt și suficient de controlat încât universul nu a câștigat și nici nu a pierdut energie.
„Este foarte complex și complicat să trimit valuri pe un iaz înapoi”, după ce au fost create, a spus Vinokur, „dar am văzut că acest lucru a fost posibil în lumea cuantică, într-un caz foarte simplu.” Cu alte cuvinte, a fost posibil când au folosit controlul dat de computerul cuantic pentru a anula efectul timpului.
După rularea programului, sistemul a revenit la starea inițială de 85 la sută din timp. Cu toate acestea, când a fost introdus un al treilea qubit, experimentul a reușit doar 50 la sută din timp. Cercetătorii au spus că complexitatea sistemului probabil a crescut prea mult odată cu cea de-a treia versiune, ceea ce îngreunează calculatorul cuantic să mențină controlul asupra tuturor aspectelor sistemului. Fără acest control, entropia nu poate fi ținută sub control, iar inversarea timpului este deci imperfectă. Totuși, aceștia vizează sisteme mai mari și computere cuantice mai mari pentru următorii lor pași, a spus Vinokur pentru Live Science.
„Lucrarea este o contribuție plăcută la bazele fizicii”, a spus Live Whitfield, profesor de fizică la Dartmouth College din New Hampshire, care nu a fost implicat în studiu. "Ne reamintește că nu toate aplicațiile de calcul cuantic trebuie să fie orientate către aplicații pentru a fi interesante."
"Tocmai de aceea construim computere cuantice", a spus Bartlett. „Aceasta este o demonstrație conform căreia computerele cuantice ne pot permite să simulăm lucruri care nu ar trebui să apară în lumea reală”.
