Koffie koelt af, gebouwen storten in, eieren versplinteren en sterren gaan uit in een universum dat voorbestemd is om te verschuiven naar een saaie eentonigheid die bekend staat als thermisch evenwicht. Astronoom en filosoof Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) verklaarde in 1927 dat de geleidelijke dissipatie van energie het bewijs is van de onomkeerbaarheid van de "pijl van de tijd".
Maar tot de verbijstering van hele generaties natuurkundigen komt het concept van de pijl van de tijd niet overeen met de basiswetten van de natuurkunde, die na verloop van tijd zowel in voorwaartse als in tegengestelde richting werken. Volgens deze wetten zou, als iemand de paden van alle deeltjes in het universum kende en ze zou omkeren, energie zich ophopen in plaats van verdrijven: koude koffie zou beginnen op te warmen, gebouwen zouden oprijzen uit de ruïnes en het zonlicht zou terug naar de zon worden gericht.
"We hadden problemen met de klassieke natuurkunde", zegt professor Sandu Popescu, die natuurkunde doceert aan de Universiteit van Bristol in Groot-Brittannië. 'Als ik meer wist, zou ik dan het tij kunnen keren en alle moleculen in het gebroken ei bij elkaar kunnen brengen?'
Natuurlijk, zegt hij, wordt de pijl van de tijd niet beheerst door menselijke onwetendheid. En toch, sinds het begin van de thermodynamica in de jaren 1850, is de enige bekende manier om de voortplanting van energie te berekenen de formule geweest voor de statistische verdeling van onbekende deeltjestrajecten en de demonstratie dat na verloop van tijd onwetendheid het beeld van de dingen uitsmeert.
Natuurkundigen ontdekken nu een meer fundamentele bron van de pijl van de tijd. Energie verdwijnt en objecten komen in evenwicht, zeggen ze, omdat elementaire deeltjes tijdens interactie verstrengeld raken. Ze noemden dit vreemde effect 'kwantummenging' of verstrengeling.
"We kunnen eindelijk begrijpen waarom een kopje koffie in een kamer daarmee in balans is", zegt de in Bristol wonende kwantumfysicus Tony Short. "Er is verwarring tussen de staat van het koffiekopje en de staat van de kamer."
Popescu, Short en hun collega's Noah Linden en Andreas Winter rapporteerden hun ontdekking in Physical Review E in 2009, waarin ze stelden dat objecten voor onbepaalde tijd in evenwicht komen, of gelijkmatig verdeelde energie. lange tijd als gevolg van kwantummechanische vermenging met de omgeving. Een soortgelijke ontdekking een paar maanden eerder werd gedaan door Peter Reimann van de Universiteit van Bielefeld in Duitsland, nadat hij zijn bevindingen had gepubliceerd in Physical Review Letters. Short en collega's ondersteunden hun zaak in 2012 door te laten zien dat verstrengeling in eindige tijd een evenwicht teweegbrengt. En in een paper gepubliceerd in februari op de arXiv. org, hebben twee afzonderlijke teams de volgende stap gezet, door te berekenen dat de meeste fysieke systemen snel in evenwicht komen in een tijd die recht evenredig is met hun grootte."Om te laten zien dat dit van toepassing is op onze echte fysieke wereld, moeten de processen binnen een redelijk tijdsbestek plaatsvinden", zegt Short.
De neiging van koffie (en al het andere) om in evenwicht te komen is "zeer intuïtief", zegt Nicolas Brunner, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Genève. "Maar door de redenen hiervoor uit te leggen, hebben we voor het eerst een solide basis, rekening houdend met de microscopische theorie."
Promotie video:
Als de nieuwe onderzoekslijn correct is, begint de geschiedenis van de pijl van de tijd met het kwantummechanische idee dat de natuur fundamenteel onbepaald is. Een elementair deeltje heeft geen specifieke fysische eigenschappen en wordt alleen bepaald door de waarschijnlijkheid dat het zich in bepaalde toestanden bevindt. Op een bepaald moment kan een deeltje bijvoorbeeld met de klok mee draaien met een kans van 50% en tegen de klok in met een kans van 50%. De experimenteel geteste stelling van de Noord-Ierse natuurkundige John Bell stelt dat er geen "ware" toestand van deeltjes bestaat; waarschijnlijkheden zijn het enige dat kan worden gebruikt om het te beschrijven.
Kwantumonzekerheid leidt onvermijdelijk tot verwarring - de vermeende bron van de pijl van de tijd.
Wanneer twee deeltjes op elkaar inwerken, kunnen ze niet langer worden beschreven door afzonderlijke, onafhankelijk evoluerende waarschijnlijkheden die "zuivere staten" worden genoemd. In plaats daarvan worden het verstrengelde componenten van een meer complexe kansverdeling die twee deeltjes samen beschrijven. Ze kunnen bijvoorbeeld aangeven dat deeltjes in tegengestelde richting ronddraaien. Het systeem als geheel is in een zuivere staat, maar de toestand van elk deeltje is "gemengd" met de toestand van het andere deeltje. Beide deeltjes kunnen enkele lichtjaren uit elkaar bewegen, maar de rotatie van het ene deeltje zal correleren met het andere. Albert Einstein omschreef het goed als "spookachtige actie op afstand".
"Verstrengeling is in zekere zin de essentie van de kwantummechanica", of de wetten die interacties op subatomaire schaal beheersen, zegt Brunner. Dit fenomeen vormt de kern van kwantumcomputers, kwantumcryptografie en kwantumteleportatie.
Het idee dat verwarring de pijl van de tijd kan verklaren, kwam 30 jaar geleden voor het eerst bij Seth Lloyd op, toen hij als 23-jarige afgestudeerde Filosofie aan de universiteit van Cambridge een Harvard-graad in natuurkunde had. Lloyd besefte dat kwantumonzekerheid en de verspreiding ervan naarmate deeltjes meer verstrengeld raken, de menselijke onzekerheid (of onwetendheid) in oud klassiek bewijs zou kunnen vervangen en de ware bron van de pijl van de tijd zou worden.
Met behulp van een weinig bekende kwantummechanische benadering, waarin de informatie-eenheden de basisbouwstenen zijn, heeft Lloyd verschillende jaren besteed aan het bestuderen van de evolutie van deeltjes in termen van het verschuiven van enen en nullen. Hij ontdekte dat naarmate de deeltjes meer en meer met elkaar vermengd raakten, de informatie die ze beschreef (bijvoorbeeld 1 voor rotatie met de klok mee en 0 voor tegen de klok in), het systeem van verstrengelde deeltjes als geheel zal beschrijven. De deeltjes leken geleidelijk hun onafhankelijkheid te verliezen en werden pionnen van de collectieve staat. Na verloop van tijd wordt alle informatie overgedragen naar deze collectieve clusters, terwijl individuele deeltjes die helemaal niet hebben. Op dit punt, zoals Lloyd ontdekte, komen de deeltjes in een evenwichtstoestand terecht en verandert hun toestand niet meer, zoals een kopje koffie afkoelt tot kamertemperatuur.
'Wat is er echt aan de hand? De dingen raken steeds meer met elkaar verbonden. De pijl van de tijd is de pijl van de groei van correlaties."
Dit idee, dat in 1988 in het proefschrift van Lloyd werd uiteengezet, werd niet gehoord. Toen de wetenschapper hierover een artikel naar de redactie van het tijdschrift stuurde, kreeg hij te horen dat "er geen natuurkunde in dit werk zit". De kwantuminformatietheorie 'was destijds zeer impopulair', zegt Lloyd, en vragen over de pijl van de tijd 'waren het lot van psychopaten en verbijsterende Nobelprijswinnaars'.
"Ik was verdomd dichtbij om taxichauffeur te worden," zei hij.
Sindsdien hebben de vorderingen in de kwantumcomputing de kwantuminformatietheorie tot een van de meest actieve gebieden van de fysica gemaakt. Lloyd is momenteel professor aan het Massachusetts Institute of Technology, hij wordt erkend als een van de grondleggers van deze discipline, en zijn vergeten ideeën worden nieuw leven ingeblazen door de inspanningen van natuurkundigen uit Bristol. Het nieuwe bewijs is algemener, zeggen wetenschappers, en is van toepassing op elk kwantumsysteem.
"Toen Lloyd het idee in zijn proefschrift presenteerde, was de wereld er nog niet klaar voor", zegt Renato Renner, hoofd van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Zwitserse Hogere Technische School van Zürich. - Niemand begreep hem. Soms heb je ideeën nodig die op het juiste moment komen."
In 2009 resoneerde het bewijs van een team van natuurkundigen uit Bristol met kwantuminformatietheoretici, die nieuwe manieren ontdekten om hun methoden toe te passen. Ze toonden aan dat als objecten in wisselwerking staan met hun omgeving - zoals deeltjes in een kopje koffie in wisselwerking staan met lucht - informatie over hun eigenschappen "door deze omgeving lekt en zich verspreidt", legt Popescu uit. Dit plaatselijke informatieverlies zorgt ervoor dat de toestand van de koffie ongewijzigd blijft, zelfs als de schone toestand van de hele kamer blijft veranderen. Met uitzondering van zeldzame willekeurige fluctuaties, zegt de wetenschapper, 'verandert zijn toestand na verloop van tijd niet meer'.
Het blijkt dat een koude kop koffie niet spontaan kan opwarmen. Kortom, naarmate de schone toestand van een kamer evolueert, kan koffie plotseling uit de lucht in de kamer ontsnappen en terugkeren naar een schone staat. Maar er zijn veel meer gemengde staten dan pure staten, en koffie kan praktisch nooit terugkeren naar een pure staat. Om dit te zien, zullen we langer moeten leven dan het universum. Deze statistische lage waarschijnlijkheid maakt de pijl van de tijd onomkeerbaar. "In feite opent mixen een enorme ruimte voor ons", zegt Popescu. - Stel je voor dat je in een park bent met een hek voor je. Zodra je ze binnengaat, ben je uit balans, bevind je je in een enorme ruimte en verdwaal je erin. Je komt nooit meer terug naar de poort."
In de nieuwe geschiedenis van de pijl van de tijd gaat informatie verloren tijdens het proces van kwantumverstrengeling, niet vanwege het subjectieve gebrek aan menselijke kennis over wat de kop koffie en de kamer in balans brengt. De kamer komt uiteindelijk in evenwicht met de buitenwereld, en de omgeving beweegt nog langzamer naar een evenwicht met de rest van het universum. De thermodynamische reuzen van de 19e eeuw beschouwden dit proces als een geleidelijke dissipatie van energie die de totale entropie of chaos van het universum vergroot. Tegenwoordig zien Lloyd, Popescu en anderen in het veld de pijl van de tijd anders. Informatie wordt volgens hen steeds diffuser, maar verdwijnt nooit helemaal. Hoewel de entropie lokaal groeit, blijft de totale entropie van het universum constant en nul.
"Over het algemeen is het universum in een zuivere staat", zegt Lloyd. "Maar de afzonderlijke delen, die verweven zijn met de rest van het universum, komen in een gemengde toestand."
Maar een mysterie van de pijl van de tijd blijft onopgelost. "Er is niets in deze werken dat verklaart waarom je bij de poort begint", zegt Popescu, terugkomend op de parkanalogie. "Met andere woorden, ze verklaren niet waarom de oorspronkelijke toestand van het universum verre van evenwicht was." De wetenschapper laat doorschemeren dat deze vraag betrekking heeft op de aard van de oerknal.
Ondanks recente vorderingen bij het berekenen van de equilibratietijd, kan de nieuwe benadering nog steeds geen hulpmiddel zijn voor het berekenen van de thermodynamische eigenschappen van specifieke zaken zoals koffie, glas of ongebruikelijke toestanden van materie. (Sommige traditionele thermodynamici zeggen dat ze heel weinig weten over de nieuwe benadering.) “Het punt is dat je criteria moet vinden waarvoor dingen zich gedragen als vensterglas en welke dingen als een kopje thee”, zegt Renner. "Ik denk dat ik in deze richting nieuw werk ga zien, maar er is nog veel te doen."
Sommige onderzoekers hebben zich afgevraagd of deze abstracte benadering van de thermodynamica ooit in staat zal zijn om nauwkeurig uit te leggen hoe specifieke waarnemingen zich gedragen. Maar conceptuele vooruitgang en een nieuwe reeks wiskundige formules helpen onderzoekers al om theoretische vragen in de thermodynamica te stellen, zoals de fundamentele beperkingen van kwantumcomputers en zelfs het uiteindelijke lot van het universum.
"We denken steeds meer na over wat er met kwantummachines kan worden gedaan", zegt Paul Skrzypczyk van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona. - Laten we zeggen dat het systeem nog niet in evenwicht is, en we willen het laten werken. Hoeveel nuttig werk kunnen we eruit halen? Hoe kan ik ingrijpen om iets interessants te doen?"
Sean Carroll, kosmologietheoreticus van Caltech, past de nieuwe formules toe in zijn laatste werk over de tijdpijl in de kosmologie. "Ik ben geïnteresseerd in het lot van de kosmologische ruimte-tijd op de meest lange termijn", zegt Carroll, die From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (From infinity here. The search for a finite theory of time) schreef. "In deze situatie kennen we nog steeds niet alle noodzakelijke natuurwetten, dus is het logisch om naar het abstracte niveau te gaan, en hier denk ik dat deze kwantummechanische benadering ons zal helpen."
Zesentwintig jaar na het mislukken van Lloyd's grandioze idee van de pijl van de tijd, geniet hij van zijn renaissance en probeert hij de ideeën van het laatste werk toe te passen op de paradox van informatie die in een zwart gat valt. "Ik denk dat ze nu gaan praten over het feit dat er natuurkunde in dit idee zit", zegt hij.
En filosofie nog meer.
Volgens wetenschappers kan ons vermogen om het verleden maar niet de toekomst te herinneren, wat een verwarrende manifestatie is van de pijl van de tijd, ook worden gezien als een toename van correlaties tussen op elkaar inwerkende deeltjes. Als je een notitie op een vel papier leest, correleren de hersenen met de informatie via fotonen die in je ogen komen. Pas vanaf dit moment kunt u zich herinneren wat er op het papier staat. Zoals Lloyd opmerkt, "kan het heden worden gekarakteriseerd als het proces van het vaststellen van correlaties met onze omgeving."
De achtergrond voor de gestage groei van weefsels door het hele universum is natuurlijk de tijd zelf. Natuurkundigen benadrukken dat ondanks grote vooruitgang in het begrijpen van hoe veranderingen in de loop van de tijd plaatsvinden, ze nog geen stap dichter zijn gekomen om de aard van tijd zelf te begrijpen of waarom deze verschilt van de andere drie dimensies van de ruimte (conceptueel en in de vergelijkingen van de kwantummechanica) … Popescu noemt dit raadsel "een van de grootste onbekenden in de natuurkunde".
"We kunnen bespreken dat ons brein een uur geleden in een toestand verkeerde die correleerde met minder dingen", zegt hij. “Maar onze perceptie dat de tijd verstrijkt, is een heel andere zaak. Hoogstwaarschijnlijk hebben we een nieuwe revolutie in de natuurkunde nodig die dit zal uitwijzen."
