Кафето остинува, зградите се уриваат, јајцата се кршат, а ѕвездите се распрснуваат во нашиот универзум кој како да е осуден на пропаѓање во едноличност позната како термален еквилибриум. Астрономот и филозоф сер Артур Едингтон во 1927 година го наведе постепеното трошење на енергијата како доказ за неповратна стрела на времето.
Меѓутоа, она што веќе со генерации ги мачи физичарите е тоа што стрелата на времето како да не ги следи законите на физиката.
Според важечките закони, ако некој би ги знаел сите патишта на сите честички во вселената и ако ги сврти, енергијата би се акумулирала, а не би се трошела: кафето спонтано би се загревало, зградите би се кревале од урнатини, а светлоста би се враќала во Сонцето.
– Во класичната физика, ние се мачиме – вели Санду Попеску, професор по физика на Универзитетот во Бристол во Велика Британија.
– Кога би знаел повеќе, дали би можел да изменам некој настан, да ги спојам сите молекули на јајцето кое се скршило?
Од раѓањето на термодинамиката во 50-тите години од 19 век, единствен познат пристап на пресметување на ширењето на енергијата бил формулирање на статистичката распределба на непознатите патишта на атомите и земање предвид на фактот дека со време незнаењето доведува до побркување на поимите.
Сега физичарите откриваат пофундаментални извори на стрелата на времето: енергијата се троши, а предметите влегуваат во еквилибриум, велат тие, поради начинот на кој елементарните честици меѓусебно реагираат во чуден ефект познат како квантна испреплетеност.
– Конечно, разбираме зошто филџанот со кафе се лади до собна температура – вели Тони Шорт, професор по квантна физика на Бристол. – Испреплетеноста се таложи меѓу состојбата на шољата со кафе и состојбата на собата.
Попеску, Шорт и неговите колеги Ноа Линден и Андреас Винтер го објавиле откритието во журналот Physical Review E во 2009 година, сметајќи дека објектите постигнуваат еквилибриум, или состојба на униформна дистрибуција на енергија, во бескрајната количина на времето, станувајќи квантно механички испреплетени со сопствената околина.
Сличните резултати до кои дошол Питер Рајман од Универзитетот во Биелефилд во Германија, се појавиле неколку месеци порано во Physical Review Letters.
Шорт и соработниците ги зајакнаа своите аргументи во 2012 година покажувајќи дека испреплетеноста предизвикува постигнување на еквилибриум и во ограничено време.
А во трудот објавен на научниот сајт arXiv.org во февруари, две одделни групи отишле чекор подалеку пресметувајќи дека многу физички системи постигнуваат еквилибриум многу брзо – во времето пропорционално на нивната големина.
– За да покажеме дека тоа е релевантно за нашиот физички свет, процесите мора да се одвиваат во разумени временски скали – вели Шорт.
Тенденцијата на кафето и се друго, да постигнува еквилибриум, е многу интуитивна – вели Николас Брунер, квантен физичар од Универзитетот во Женева.
– Меѓутоа, ова е првпат таа појава да се објаснува на цврсти основи имајќи ја предвид микроскопската теорија.
Ако новиот дел од ова истражување е точен, тогаш приказната за стрелата на времето почнува со идејата на квантната механика дека длабоко во себе природата е суштински несигурна.
На елементарните честици им недостасуваат конечни физички својства и се дефинираат само врз основ на веројатноста дека се во одредени состојби. На пример, во одреден момент, атомот може да има 50 отсто шанси дека се врти во насока на сказалката на часовникот, а 50 отсто шанси дека спинот е спротивен од таа насока.
Експерименталното тестирање на тие хипотези од страна на физичарот Џон Бел, покажало дека нема вистинска состојба на атомот; можностите се единствена реалност која може да им се припише.
Квантната несигурност потоа доведува до испреплетеност – претпоставениот извор на стрелата на времето.
Кога два атома ќе влезат во интеракција, тие повеќе не можат да се опишат секој за себе. Наместо тоа, тие постануваат испреплетени компоненти на сложени форми на можностите кои ги опишуваат заедно.
На пример, тоа може да значи дека атомите имаат спротивни спинови. Системот во целина е во чиста состојба, но состојбата на секој поединечен атом е помешана со состојбата на неговата партнерка.
Тие би можеле да патуваат разделени стотици светлосни години, а спинот на секој од нив да остане поврзан со спинот на другиот, што е особина која Ајнштајн ја опишал како чудно делување на далечина.
– Испреплетеноста на некој начин е суштина на квантната механика, или закони кои управуваат со интеракцијата на субатомско ниво, вели Брунер. Феноменот е во основата на квантното пресметување, квантната криптографија и квантната телепортација.
Идејата дека испреплетеноста може да се објасни со стрелата на времето, првпат потекнала од Сет Лојд пред околу 30 години, кога тој бил 23 годишен апсолвент по филозофија во Кембриџ, со диплома по физика од Харвард.
Лојд сфатил дека квантната неизвесност и начинот на кој се шири, како што атомите стануваат се повеќе испреплетени, може да се замени со човековата неизвесност во старите класични докази, како вистински извор на стрелата на времето.
Користејќи го опскурниот пристап на квантната механика, која третира делови на информации како основни тематски блокови, Лојд поминал неколку години проучувајќи ја еволуцијата на атомите во поглед на нивната состојба низ нулата и единицата.
Открил дека колку повеќе атомите меѓусебно се испреплетени, информацијата која оригинално би ги опишала (еден за обрт во насока на стрелките на часовникот и нула за обратен спин), може да го опише нивниот заеднички систем во целина.
Тоа се случувало иако атомите постепено ја губеле автономијата и станувале пиони на колективна состојба. На крај, врските би ги содржеле сите информации, а поединечните атоми ниту една.
Во тој момент, сфатил Лојд, атомите доаѓаат во состојба на еквилибриум и нивната состојба престанува да се менува, како кафето кое се лади до собна температура.
Неговата идеја, претставена во вид на докторска теза во 1988 година, немала одек. Кога ја предавал за објавување во журнал, му било кажано дека списанието не објавува тези од физиката.
Квантната теорија на информации била многу непопуларна во тоа време, рече Лојд, а еден пријател му рекол дека прашањето за стрелата на времето е само за луѓе кои се прават паметни и за Нобелов лауреат, на кои паметот малку им ослабел – се присетува тој.
– Бев блиску до тоа да почнат да возам такси – рече Лојд.
Напредокот во квантното пресметување од тогаш квантната теорија за информации ја претворил во нај активна гранка на физиката.
Лојд е сега професор на Технолошкиот институт во Масачусетс, признат како еден од основачите на дисциплината, а неговата некогаш занемарена идеја, се појави во силен облик кај физичарот од Бостон.
Новите докази се по општи, велат истражувачите и можат да се применат на речиси секој квантен систем.
– Кога Лојд ја предложил својата хипотеза, светот на неа не бил подготвен – вели Ренато Ренер, кој се наоѓа на чело на Институтот на теоретска физика во Цирих.
– Никој не го разбрал. Порано моравте да почекате вистинско време за да претставите идеја.
Доказот на групата од Бристол од 2009 година имал одек во научните кругови и отворил врата на употреба на нивните техники.
Се покажало дека објектите влегуваат во интеракција со околината, а информациите за нивните својства истекуваат и почнуваат да се шират во околината – објаснува Попеску.
Ова губење на информациите на локално ниво предизвикува стагнација на објектот, дури и кога неговата околина почнува да се менува.
Ако ги исклучиме ретките флуктуации, состојбата на објектот престанува да се менува.
Значи, еднаш оладена шоља со кафе не почнува спонтано да се затоплува. Во принцип, за да се менува чистата состојба на просторијата, кафето одеднаш може да се раздвои од воздухот и да влезе во сопствена чиста состојба. Меѓутоа, бидејќи во природата постојат многу повеќе верзии на испреплетени состојби на објектите, отколку на чисти, шансите тоа да се случи со кафето се занемарливо мали (мора да живеете колку и универзумот за да присуствувате на тоа).
Оваа статистичка неверојатност на стрелата на времето дава изглед на неповратност.
Во новата приказна за стрелата на времето, губењето на информации низ квантната испреплетеност, а не субјективниот недостиг на човечко знаење, ја доведува шољата кафе во еквилибриум со околината. Просторијата порано или подоцна доаѓа во еквилибриум со надворешната околина, а надворешноста полека лизга кон еквилибриум со универзумот.
Научниците од 19 век кои се занимавале со термодинамика, овој процес го гледале како постепено трошење на енергијата, која ја зголемува вкупната ентропија или хаосот во вселената.
Денес Лојд, Попеску и другите во нивното поле, стрелата на времето ја гледаат сосема поинаку. Тие тврдат дека иако ентропијата се зголемува на локално ниво, вкупната ентропија на вселената е константна, на нулата.
– Универзумот во целина е во чиста состојба – вели Лојд. Меѓутоа, неговите поединечни делови, бидејќи се испреплетени со остатокот на вселената, претставуваат мешавини.
Еден аспект од стрелата на времето сепак останува нејасен.
– Ништо во нашите трудови не објаснува зошто одредени настани поаѓаат точно од одредена точка на просторот-времето – вели Попеску.
– Со други зборови, не можете да објасните зошто почетната состојба на вселената е толку далеку од еквилибриум. Тој додава дека е тоа прашање на природата на Големиот прасок.
Наспроти неодамнешниот напредок во пресметувањето на урамнотежување на скалата на времето, новиот пристап се уште бара алатка за мерење на термодинамичките својства на специфични објекти.
Некои истражувачи се сомневаат дека ваквиот апстрактен пристап на термодинамиката некогаш ќе може да стане плодоносен. Меѓутоа, концептуалниот развој и точните математички пресметувања веќе помагаат на истражувачите малку по малку да го решаваат прашањето на термодинамиката, како фундаменталните граници на квантните компјутери, и што е уште поважно за конечната судбина на вселената.
– Се повеќе размислуваме што може да се направи со квантните машини – вели Пол Скрзипцик од Институтот за проучување на фотони во Барселона.
Шон Керол, теоретски космолог од Технолошкиот институт во Калифорнија го применува новиот формализам во последниот труд на тема стрелата на времето во космологијата.
– Моментално не ги знаеме сите релевантни закони на физиката, па има логика во тоа да размислуваме на многу апстрактно ниво, поради што овој основен квантно-механички пристап е многу корисен.
Дури по 26 години откако Лојдовата голема идеја за стрелата на времето наишла на неразбирање кај стручната јавност, тој е задоволен што гледа дека неговите идеи се применуваат во современите трудови.
– Мислам дека сега постои консензус дека во сето ова има физика – вели тој.
Да не ја спомнуваме филозофијата.
Според научниците, нашата способност да го памтиме минатото, но не и иднината, е уште една манифестација на стрелата на времето, може да се смета како надградба на спрегата на атомите. Кога ќе прочитате порака од некоја хартија, вашиот мозок станува поврзан со нејзините фотони кои доаѓаат низ вашите очи.
Само од тој момент вие сте во состојба да запамтите како гласи пораката.
Како што објаснува Лојд: – Сегашноста може да се објасни со процесот на поврзување на нас самите со околината.
Подлогата за стабилна испреплетеност ширум вселената, секако е самото време. Научниците истакнуваат дека наспроти големиот напредок во разбирањето како се случуваат промените во времето, тие и понатаму не ја разбираат неговата природа, или зошто делува поинаку од останатите три димензии на вселената.
Попеску ова го нарекува најголема непознаница во физиката.