Laiks iet vienā virzienā: uz priekšu. Mazi zēni kļūst par veciem vīriešiem, bet ne otrādi; tējas glāzes sagrauj, bet nekad spontāni nesajaucas. Šis cietsirdīgais un negrozāmais Visuma īpašums, ko sauc par “laika bultu”, būtībā ir otrā termodinamikas likuma sekas, kas nosaka, ka laika gaitā sistēmas vienmēr mēdz kļūt nesakārtotākas. Bet nesen pētnieki no ASV un Krievijas šo bultu ir nedaudz saliekuši - vismaz attiecībā uz subatomiskajām daļiņām.
Jaunajā pētījumā, kas tika publicēts otrdien (12. martā) žurnālā Scientific Reports, pētnieki manipulēja ar laika bultu, izmantojot ļoti niecīgu kvantu datoru, kas izgatavots no divām kvantu daļiņām, kas pazīstamas kā kvittes, un kas veica aprēķinus.
Subatomiskajā mērogā, kur nepāra kvantu mehānikas likumi mainās, fiziķi apraksta sistēmu stāvokli ar matemātiskas konstrukcijas palīdzību, ko sauc par viļņu funkciju. Šī funkcija ir visu iespējamo stāvokļu izpausme, kurā sistēma varētu atrasties - pat daļiņas gadījumā - visās iespējamās vietās, kur tā varētu atrasties, un varbūtība, ka sistēma jebkurā brīdī atrodas kādā no šiem stāvokļiem . Parasti laika gaitā viļņu funkcijas izkliedējas; daļiņas iespējamā atrašanās vieta var būt tālāk, ja nogaidi stundu, nekā tad, ja nogaidi 5 minūtes.
Viļņu funkcijas izplatīšanās atsaukšana ir tāda pati kā mēģinājums izlijušo pienu ievietot atpakaļ pudelē. Bet tieši to pētnieki paveica šajā jaunajā eksperimentā.
"Pamatā nav nekādu iespēju, ka tas notiks pats par sevi," tiešajam zinātnim pastāstīja vadošais pētnieks Valērijs Vinokurs, Ilinoisas Argonnas Nacionālās laboratorijas fiziķis. "Tas ir tāpat kā teiciens, kur, ja jūs pērtiķim piešķirat rakstāmmašīnu un daudz laika, viņš var uzrakstīt Šekspīru." Citiem vārdiem sakot, tas ir tehniski iespējams, bet tik maz ticams, ka tas var būt arī neiespējami.
Kā zinātnieki padarīja būtībā neiespējamu? Rūpīgi kontrolējot eksperimentu.
"Jums tiešām ir nepieciešama liela kontrole, lai visi salūzušie tējas tase sagrieztu kopā," Live Science pastāstīja Sidnejas universitātes fizikas profesors Stefans Bartlets. Bartlets nebija iesaistīts pētījumā. "Jums ir daudz jākontrolē sistēma, lai liktu tai rīkoties ... un kvantu dators ir kaut kas tāds, kas ļauj mums kontrolēt simulētu kvantu sistēmu."
Pētnieki izmantoja kvantu datoru, lai simulētu atsevišķu daļiņu, un tā viļņu funkcija laika gaitā izplatījās kā pulsācija dīķī. Pēc tam viņi kvantu datorā uzrakstīja algoritmu, kas mainīja katra viļņa funkcijas komponenta laika evolūciju, būtībā velkot šo pulsāciju atpakaļ daļiņā, kas to izveidoja. Viņi to paveica, nepalielinot entropiju vai nekārtības citur Visumā, šķietami izaicinot laika bultu.
Vai tas nozīmē, ka pētnieki izveidoja laika mašīnu? Vai viņi pārkāpa fizikas likumus? Uz abiem šiem jautājumiem nav atbildes. Otrais termodinamikas likums saka, ka Visuma kārtībai laika gaitā jāsamazinās, bet nav tā, ka ļoti īpašos gadījumos tas nekad nevar palikt tāds pats. Un šis eksperiments bija pietiekami mazs, pietiekami īss un pietiekami kontrolēts, lai Visums ne iegūtu, ne zaudētu enerģiju.
"Ir ļoti sarežģīti un sarežģīti sūtīt viļņus uz dīķa atpakaļ", tiklīdz tie ir izveidoti, sacīja Vinokurs, "bet mēs redzējām, ka tas bija iespējams kvantu pasaulē, ļoti vienkāršā gadījumā." Citiem vārdiem sakot, tas bija iespējams, kad viņi izmantoja kontroli, ko viņiem deva kvantu dators, lai atsauktu laika efektu.
Pēc programmas palaišanas sistēma atgriezās sākotnējā stāvoklī 85 procentus laika. Tomēr, kad tika ieviesta trešā kvadrāts, eksperiments izdevās tikai 50 procentus laika. Pētnieki sacīja, ka sistēmas sarežģītība, iespējams, ir pārāk palielinājusies ar trešo kvadrātu, padarot kvantu datoru grūtāk saglabāt kontroli pār visiem sistēmas aspektiem. Bez šīs kontroles entropiju nevar kontrolēt, un tāpēc laika maiņa ir nepilnīga. Viņi joprojām tiecas pēc lielākām sistēmām un lielākiem kvantu datoriem nākamajiem soļiem, Vinokurs stāstīja Live Science.
"Šis darbs ir jauks ieguldījums fizikas pamatos," Džeimss Vitfīlds, Dartmutas koledžas Ņūhempšīras fizikas profesors, kurš nebija iesaistīts pētījumā, pastāstīja Live Science. "Tas mums atgādina, ka ne visām kvantu skaitļošanas lietojumprogrammām jābūt orientētām uz lietojumprogrammām, lai tās būtu interesantas."
"Tieši šī iemesla dēļ mēs veidojam kvantu datorus," sacīja Bartlets. "Šī ir demonstrācija, ka kvantu datori var ļaut mums simulēt lietas, kurām nevajadzētu notikt reālajā pasaulē."
