Joseph Norman
0 
4691
823
Tiden går i en retning: fremover. Små gutter blir gamle menn, men ikke omvendt; tekopper knuses, men samles aldri spontant. Denne grusomme og uforanderlige egenskapen til universet, kalt "tidens pil", er grunnleggende en konsekvens av termodynamikkens andre lov, som dikterer at systemer alltid vil ha en tendens til å bli mer uordnede over tid. Men nylig har forskere fra USA og Russland bøyd pilen bare litt - i det minste for subatomære partikler.
I den nye studien, som ble publisert tirsdag (12. mars) i tidsskriftet Scientific Reports, manipulerte forskere tidens pil ved hjelp av en veldig liten kvantemaskin laget av to kvantepartikler, kjent som qubits, som utførte beregninger. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]
I den subatomære skalaen, der de rare reglene for kvantemekanikk holder seg, beskriver fysikere systemenes tilstand gjennom en matematisk konstruksjon kalt en bølgefunksjon. Denne funksjonen er et uttrykk for alle mulige tilstander systemet kan være i - til og med, når det gjelder en partikkel, alle mulige plasseringer det kan være i - og sannsynligheten for at systemet er i noen av disse tilstandene til enhver tid. . Når tiden går, spres bølgefunksjoner generelt; en partikkels mulige plassering kan være lenger borte hvis du venter en time enn hvis du venter 5 minutter.
Å angrer spredningen av bølgefunksjonen er som å prøve å legge sølt melk tilbake i flasken. Men det er nøyaktig hva forskerne oppnådde i dette nye eksperimentet.
"Det er i utgangspunktet ingen sjanse for at dette skjer på egen hånd," fortalte hovedforsker Valerii Vinokur, fysiker ved Argonne National Laboratory i Illinois. "Det er som det å si, hvor hvis du gir en ape en skrivemaskin og mye tid, kan han kanskje skrive Shakespeare." Med andre ord, det er teknisk mulig, men så lite sannsynlig at det like godt kan være umulig.
Hvordan fikk forskerne det vesentlig umulige til å skje? Ved å kontrollere forsøket nøye.
"Du trenger virkelig mye kontroll for å få alle de ødelagte bitene av en tekopp til å komme sammen igjen," fortalte Stephen Bartlett, professor i fysikk ved University of Sydney. Bartlett var ikke involvert i studien. "Du må ha mye kontroll over systemet for å få det til å gjøre det ... og en kvantecomputer er noe som lar oss ha en enorm mengde kontroll over et simulert kvantesystem."
Forskerne brukte en kvantecomputer for å simulere en enkelt partikkel, og dens bølgefunksjon spredte seg over tid som en krusning i et tjern. Deretter skrev de en algoritme i kvantecomputeren som vendte tidsutviklingen for hver eneste komponent av bølgefunksjonen, og i det vesentlige trakk den krusningen tilbake i partikkelen som skapte den. De oppnådde denne bragden uten å øke entropien, eller uorden andre steder i universet, og tilsynelatende trosset tidens pil.
Betyr dette at forskerne laget en tidsmaskin? Brøt de fysikkens lover? Svaret er nei til begge spørsmålene. Den andre loven om termodynamikk sier at rekkefølgen på universet må avta over tid, men ikke at det aldri kan forbli den samme i veldig spesielle tilfeller. Og dette eksperimentet var lite nok, kort nok og kontrollert nok til at universet verken fikk eller mistet energi.
"Det er veldig komplekst og komplisert å sende bølger på et tjern tilbake" når de er blitt opprettet, sa Vinokur, "men vi så at dette var mulig i kvanteverdenen, i et veldig enkelt tilfelle." Det var med andre ord mulig da de brukte kontrollen som ble gitt dem av kvantemaskinen for å angre tidseffekten.
Etter å ha kjørt programmet, gikk systemet tilbake til sin opprinnelige tilstand 85 prosent av tiden. Når en tredje kvbit ble introdusert, lyktes imidlertid eksperimentet bare 50 prosent av tiden. Forskerne sa at kompleksiteten i systemet sannsynligvis økte for mye med den tredje kvbit, noe som gjorde det vanskeligere for kvantedatamaskinen å opprettholde kontrollen over alle aspekter av systemet. Uten den kontrollen kan ikke entropi holdes i sjakk, og tidsendringen er derfor ufullkommen. Likevel sikter de etter større systemer og større kvantemaskiner for de neste trinnene deres, fortalte Vinokur .
"Arbeidet er et fint bidrag til grunnlaget for fysikk," fortalte James Whitfield, professor i fysikk ved Dartmouth College i New Hampshire, som ikke var involvert i studien. "Det minner oss om at ikke alle applikasjoner for kvanteberegning må være applikasjonsorienterte for å være interessante."
"Dette er nøyaktig grunnen til at vi bygger kvantemaskiner," sa Bartlett. "Dette er en demonstrasjon av at kvantemaskiner kan tillate oss å simulere ting som ikke skal forekomme i den virkelige verden."
- De største uløste mysteriene i fysikk
- 18 ganger Quantum Particles Blew Our Minds
- Hva er det? Dine fysiske spørsmål besvart
Opprinnelig publisert på .