| Quanta Magazine

Kafa se hladi, zgrade se ruše, jaja se lome, a zvezde raspršuju u našem univerzumu koji kao da je osuđen na propadanje u jednoličnost poznatu kao termalni ekvilibrijum.

stuartpilbrow / Flickr.com

Astronom i filozof ser Artur Edington je 1927. naveo postepeno rasipanje energije kao dokaz nepovratne "strele vremena".

Međutim, ono što muči već generacije fizičara je to što strela vremena kao da ne prati zakone fizike.

Prema važećim zakonima, ako bi neko znao sve putanje svih čestica u svemiru i obrnuo ih, energija bi se akumulirala, a ne rasipala: kafa bi se spontano zagrevala, zgrade bi se dizale iz ruševina, a svetlost bi se vraćala u Sunce.

"U klasičnoj fizici, mi se mučimo", kaže Sandu Popesku, profesor fizike na Univerzitetu u Bristolu u Velikoj Britaniji.

"Kada bih znao više, da li bih mogao obrnuti neki događaj, spojiti sve molekule jajeta koje se slomilo?"

Od rađanja termodinamike pedesetih godina 19. veka, jedini poznati pristup računanju širenja energije bilo je formulisanje statističke raspodele nepoznatih putanja čestica i uzimanje u vid činjenice da vremenom neznanje dovodi do brkanja pojmova.

Sada fizičari otkrivaju fundamentalnije izvore strele vremena: energija se rasipa, a predmeti ulaze u ekvilibrijum, kažu oni, zbog načina na koji elemetarne čestice međusobno reaguju u čudnom efektu poznatom kao "kvantna isprepletenost".

"Konačno, razumemo zašto se šolja kafe hladi do sobne temperature", kaže Toni Šort, profesor kvantne fizike na Bristolu. "Isprepletenost se gomila između stanja šolje kafe i stanja sobe".

Popesku, Šort i njihove kolege Noa Linden i Andreas Vinter objavili su otkriće u žurnalu "Physical Review E" 2009. godine smatrajući da objekti postižu ekvilibrijum, ili stanje uniformne distribucije energije, u beskrajnoj količini vremena postajući kvantno mehanički isprepletani sa sopstvenom okolinom.

Slični rezultati do kojih je došao Piter Rajman sa Univerziteta u Bilefeldu u Nemačkoj, pojavili su se nekoliko meseci ranije u " Physical Review Letters".

Šort i saradnici ojačali su svoje argumente 2012. pokazujući da isprepletenost izaziva postizanje ekvilibrijuma i u ograničenom vremenu.

A u radu objavljenom na naučnom sajtu arXiv.org u februaru, dve odvojene grupe otišle su korak dalje računajući da većina fizičkih sistema postiže ekvilibrijum veoma brzo - u vremenu proporcionalnom njihovoj veličini.

"Kako bismo pokazali da je to relevantno za naš fizički svet, procesi moraju da se odvijaju u razumnim vremenskim skalama", kaže Šort.

Tendencija kafe – i svega ostalog – da postigne ekvilibrijum je "veoma intuitivna", kaže Nikolas Bruner, kvantni fizičar sa Univerziteta u Ženevi.

"Međutim, ovo je prvi put da se ta pojava objašnjava na čvrstim osnovama imajući u vidu mikroskopsku teoriju".

Ako je novi deo ovog istraživanja tačan, onda priča o streli vremena počinje sa idejom kvantne mehanike da je, duboko "u sebi", priroda sušninski nesigurna.

Elementarnim česticama nedostaju konačna fizička svojstva i definišu se samo na osnovu verovatnoće da su u određenim stanjima. Na primer, u određenom trenutku, čestica može imati 50 odsto šanse da joj je obrt u smeru kazaljke na satu, a 50 odsto šanse da joj je obrt (spin) suprotan od tog smera.

Eksperimentalno testiranje tih hipoteza od strane fizičara Džona Bela pokazalo je da nema "stvarnog" stanja čestice; mogućnosti su jedina realnost koja im se može pripisati.

Kvantna nesigurnost zatim dovodi do isprepletenosti - pretpostavljenog izvora strele vremena.

Kada dve čestice uđu u interakciju, one se više ne mogu opisati svaka za sebe. Umesto toga, one postaju isprepletene komponente složenijih oblika mogućnosti koje ih opisuju zajedno.

To može značiti, na primer, da čestice imaju suprotne spinove. Sistem je u celini u "čistom stanju", ali je stanje svake pojedinačne čestice "pomešano" sa stanjem njene "partnerke".

One bi mogle da putuju razdvojene stotinama svetlosnih godina, a da spin svake ostane povezan sa spinom druge, što je osobina koju je Ajnštajn opisao kao "čudno delovanje na daljinu".

"Isprepletenost je na neki način suština kvantne mehanike", ili zakona koji upravljaju interakcijom na subatomskom nivou, kaže Bruner. Fenomen je u osnovi kvantnog računanja, kvantne kriptografije i kvantne teleportacije.

NASA Goddard Space Flight Center / Flickr.com

Ideja da isprepletenost može objasniti strelu vremena, prvi put je potekla od Seta Lojda pre oko 30 godina, kada je on bio 23-godišnji apsolvent filozofije na Kembridžu, sa diplomom fizike sa Harvarda.

Lojd je shvatio da kvantna neizvesnost i način na koji se širi, kako čestice postaju sve više isprepletene, može zameniti ljudsku neizvesnost u starim klasičnim dokazima, kao stvarni izvor strele vremena.

Koristeći opskurni pristup kvantnoj mehanici koji tretira delove informacija kao osnovne gradivne blokove, Lojd je proveo nekoliko godina proučavajući evoluciju čestica u pogledu njihovog stapanja kroz nule i jedinice.

Otkrio je da što su čestice više međusobno isprepletene, informacija koja bi ih originalno opisivala ("jedan" za obrt u smeru kazaljke na satu i "nula" za obrnut spin) mogla bi da opiše njihov zajednički sistem u celini.

To se događalo iako su čestice postepeno gubile autonomiju i postajale pioni kolektivnog stanja. Na posletku, veze bi sadržale sve informacije, a pojedinačne čestice ni jednu.

U tom trenutku, shvatio je Lojd, čestice dolaze u stanje ekvilibrijuma i njihovo stanje prestaje da se menja, poput kafe koja se ohladila do sobne temperature.

Njegova ideja, predstavljena u vidu doktorske teze 1988. nije imala odjeka. Kada ju je predao za objavljivanje u žurnalu, rečeno mu je da "časopis ne objavljuje teze iz fizike".

Kvantna teorija informacija bila je veoma nepopularna u to vreme, rekao je Lojd, a jedan prijatelj mu je rekao da je pitanje strele vremena "samo za pametnjakoviće i Nobelove laureate kojima je pamet malo oslabila", priseća se on.

"Bio sam blizu toga da počnem da taksiram", rekao je Lojd.

Napredak u kvantnom računanju od tada je pretvorio kvantnu teoriju informacija u najaktivniju granu fizike.

Lojd je sada profesor na Tehnološkom institutu u Masačusetsu, priznat kao jedan od osnivača discipline, a njegova nekada zanemarena ideja, pojavila se u snažnijem obliku kod fizičara iz Bostona.

Novi dokazi su opštiji, kažu istraživači, i mogu se primeniti na gotovo svaki kvantni sistem.

"Kada je Lojd predložio svoju hipotezu, svet na nju nije bio spreman", kaže Renato Rener koji se nalazi na čelu Instituta teoretske fizike u Cirihu.

"Niko ga nije razumeo. Nekada morate sačekati pravo vreme da biste predstavili ideju".

Dokaz grupe iz Bristola iz 2009. imao je odjeka u naučnim krugovima i otvorio vrata novoj upotrebi njihovih tehnika.

Pokazao je da objekti ulaze u interakciju sa okruženjem, a informacije o njihovim svostvima "cure i počinju da se šire okruženjem", objašnjava Popesku.

Ovaj gubitak informacija na lokalnom nivou izaziva stagnaciju objekta, čak i kad njegovo okruženje počinje da se menja.

Ako izuzmemo retke, nasumične fluktuacije, "stanje objekta prestaje da se menja".

Dakle, jednom ohlađena šolja kafe ne počinje spontano da se zagreva. U principu, kako se menja "čisto stanje" prostorije, kafa bi odjednom mogla da se "razdvoji" od vazduha i uđe u sopstveno "čisto stanje". Međutim, pošto u prirodi postoji mnogo više verzija isprepletanih stanja objekata, nego čistih, šanse da se to desi s kafom su zanemarljivo male (morali biste da živite koliko i univerzum da biste tome prisustvovali).

Ova statistička neverovatnoća daje streli vremena izgled nepovratnosti.

U novoj priči o streli vremena, gubitak informacija kroz kvantnu isprepletenost, a ne subjektivni nedostatak ljudskog znanja, dovodi šolju kafe u ekvilibrijum sa okruženjem. Prostorija pre ili kasnije dolazi u ekvilibrijum sa spoljnim okruženjem, a spoljašnjost polako klizi ka ekvilibrijumu sa univerzumom.

Naučnici 19. veka koji su se bavili termodinamikom, ovaj proces su videli kao postepeno rasipanje energije koje povećava ukupnu entropiju ili haos u svemiru.

Danas, Lojd, Popesku i ostali u njihovom polju, vide strelu vremena sasvim drugačije. Oni tvrde da, iako se entropija povećava na lokalnom nivou, ukupna entropija svemira je konstantna – na nuli.

"Univerzum u celini je u čistom stanju", kaže Lojd. "Međutim, njegovi pojedinačni delovi, pošto su isprepleteni sa ostatkom svemira predstavljaju mešavine".

Jedan aspekt strele vremena ipak ostaje nejasan.

NASA Blueshift / Flickr.com

"Ništa u našim radovima ne objašnjava zašto određeni događaji polaze sa tačno određene tačke prostor-vremena", kaže Popesku.

"Drugim rečima, ne možete da objasnite zašto je početno stanje svemira tako daleko od ekvilibrijuma". On dodaje da je to pitanje prirode Velikog praska.

Uprkos nedavnom napretku u proračunima uravnoteženja skala vremena, novi pristup još traži pravi alat za merenje termodinamičkih svojstava specifičnih objekata.

Neki istraživači sumnjaju da ovako apstraktan pristup termodinamici ikada može da postane plodonosan. Međutim, konceptualni napredak i tačni matematički proračuni već pomažu istraživačima da malo po malo rešavaju pitanja termodinamike, poput fundamentalnih granica kvantnih kompjutera i, što je još važnije, konačnoj sudbini univerzuma.

"Sve više razmišljamo šta se može učiniti sa kvantnim mašinama", kaže Pol Skrzipcik sa Instituta za proučavanje fotona u Barseloni.

Šon Kerol, teoretski kosmolog sa Tehnološkog instituta u Kaliforniji primenjuje novi formalizam u poslednjem radu na temu strele vremena u kosmologiji.

"Trenutno ne znamo sve relevantne zakone fizike, pa ima logike u tome da razmišljamo na veoma apstraktnom nivou, zbog čega je ovaj osnovni kvantno-mehanički pristup vrlo koristan".

Čak 26 godina nakon što je Lojdova velika ideja o streli vremena naišla na nerazumevanje stručne javnosti, on je zadovoljan što vidi da se njegove ideje primenjuju u savremenim radovima.

"Mislim da sada postoji konsenzus da u svemu ovome ima fizike", kaže on.

Da ne pominjemo filozofiju.

Prema naučnicima, naša sposobnost da pamtimo prošlost, ali ne i budućnost, još jedna manifestacija strele vremena, može se smatrati kao nadogradnja sprege čestica. Kada pročitate poruku sa nekog papira, vaš mozak postaje povezan sa njim fotonima koji dospevaju kroz vaše oči.

Samo od tog trenutka vi ste u stanju da zapamtite kako poruka glasi.

Kao što Lojd objašnjava: "Sadašnjost se može objasniti procesom povezivanja nas samih sa okruženjem".

Podloga za stabilnu isprepletenost širom svermira je, naravno, samo vreme. Naučnici ističu da uprkos velikom napretku u razumevanju kako se promene u vremenu dešavaju, oni i dalje ne razumeju njegovu prirodu, ili zašto deluje drugačije od ostale tri dimenzije svemira.

Popesku ovo naziva "najvećom nepoznanicom fizike"