Αναδιαμορφώνοντας το κβαντικό βέλος του χρόνου
Eρευνητές υποστηρίζουν ότι βρήκαν έναν τρόπο «να αναστρέψουν τον χρόνο ώστε να ρέει προς τα πίσω» σε ένα κβαντικό σύστημα, σύμφωνα με πρόσφατο άρθρο του περιοδικού Scientific American.
Το βέλος του χρόνου κινείται μόνο προς τα εμπρός. Όμως, μια νέα έρευνα βρήκε έναν τρόπο με τον οποίο αυτό το βέλος θα μπορούσε να αντιστραφεί σε ένα κβαντικό σύστημα, αναστρέφοντας την πορεία των γεγονότων σαν να έρεε ο χρόνος προς τα πίσω.
Τα ευρήματα είναι προς το παρόν θεωρητικά, αλλά θα μπορούσαν να ελεγχθούν πειραματικά, λέει ο Luis Pedro García-Pintos, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos και κύριος συγγραφέας της νέας εργασίας (Reshaping the Quantum Arrow of Time), η οποία δημοσιεύθηκε στις 19 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Physical Review X.
«H αντιστροφή του χρόνου» σε κβαντικό επίπεδο θα μπορούσε να ανακόψει την απώλεια πληροφοριών που δυσχεραίνει τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών. Κι αυτό θα αποτελούσε άμεσα ένα απίστευτο πλεονέκτημα όσον αφορά την ανάπτυξη αυτών των κβαντικών τεχνολογιών.
Η ιδέα της αντιστροφής του χρόνου δεν είναι καινούργια. Τον 19ο αιώνα, ο φυσικός James Clerk Maxwell επινόησε ένα νοητικό πείραμα για την παραβίαση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, ο οποίος ορίζει ότι η συνολική εντροπία ενός συστήματος (ένα μέτρο της αταξίας του) δεν μπορεί να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η θερμότητα ρέει πάντα από ένα θερμότερο προς ένα ψυχρότερο αντικείμενο, γεγονός που με τη σειρά του αυξάνει την εντροπία του ψυχρότερου αντικειμένου. Όποιος έχει φτιάξει μια κούπα ζεστή σοκολάτα για να ζεστάνει τα χέρια του μια χιονισμένη μέρα, μπορεί να επιβεβαιώσει αυτόν τον νόμο. Όμως, καθαρά λόγω τυχαιότητας, θα υπάρχουν πάντα κάποια αργά κινούμενα μόρια στο θερμό αντικείμενο και κάποια γρήγορα κινούμενα μόρια στο ψυχρό αντικείμενο. Αυτό σημαίνει ότι μια εξωτερική οντότητα, γνωστή ως ο Δαίμονας του Maxwell, θα μπορούσε θεωρητικά να κατευθύνει επιλεκτικά αυτά τα μόρια από το ένα αντικείμενο στο άλλο, επιστρέφοντας τα ταχύτερα κινούμενα μόρια στο θερμό αντικείμενο και τα πιο αργά στο ψυχρό. Έτσι, το θερμό αντικείμενο θα γινόταν θερμότερο και το ψυχρό, ψυχρότερο. Σε έναν παρατηρητή, θα φαινόταν σαν η φυσιολογική ροή των πραγμάτων να λειτουργεί αντίστροφα: η κούπα με τη ζεστή σοκολάτα θα απορροφούσε την «ζεστασιά» από τα χέρια σας.
Προφανώς, δεν υπάρχει κάποιος μικρός δαίμονας εκεί έξω που να παίζει με τις κούπες και τη ζεστή σοκολάτα. Αλλά στα μικροσκοπικά κβαντικά συστήματα, υπάρχει ένα στοιχείο εξωτερικού ελέγχου. Τα κβαντικά συστήματα περιλαμβάνουν όλα τα μικροσκοπικά σωματίδια, όπως άτομα και ηλεκτρόνια, που συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντομηχανικής. Με βάση αυτούς τους κανόνες, η μέτρηση ενός κβαντικού συστήματος το μεταβάλλει: Πριν από μια παρατήρηση, ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα, μια έννοια που ονομάζεται υπέρθεση. Με άλλα λόγια, το σπιν, η ορμή και άλλες ιδιότητες ενός σωματιδίου δεν είναι ακόμη αυστηρά καθορισμένες. Όμως, η διαδικασία της μέτρησης προκαλεί την κατάρρευση αυτής της υπέρθεσης, δίνοντας ένα και μοναδικό οριστικό αποτέλεσμα.
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις σε υπολογιστή, ο García-Pintos και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι, γνωρίζοντας την αρχική κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος και το αποτέλεσμα μετά την πραγματοποίηση μιας μέτρησης, μπορούσαν να αντιστρέψουν το βέλος του χρόνου. Ως δικό τους εξωτερικό ελεγκτή, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια ακολουθία πεδίων και παλμών προκειμένου να επαναφέρουν ακαριαία το εικονικό σύστημα πίσω στο σημείο από όπου ξεκίνησε και, σε ορισμένες περιπτώσεις, να το ωθήσουν προς το αντίθετο αποτέλεσμα.
Αυτή η ακολουθία ελέγχου, η οποία καθορίζει τη Χαμιλτονιανή του συστήματος, λειτουργεί σαν τον δαίμονα του Maxwell, μετατρέποντας μια υποτιθέμενα μη αναστρέψιμη ακολουθία γεγονότων από ευθεία σε αντίστροφη (από εμπρός προς τα πίσω). «Προσομοιώνουμε ένα σύμπαν όπου τα γεγονότα ρέουν προς τα πίσω στον χρόνο», αναφέρει ο García-Pintos.
Αυτοί οι έλεγχοι της Χαμιλτονιανής θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μιας μηχανής συνεχούς μέτρησης. Η ενέργεια που εισάγεται σε ένα κβαντικό σύστημα μέσω της μέτρησης θα μπορούσε να ανακτηθεί άμεσα μέσω της εφαρμοζόμενης Χαμιλτονιανής και να αποθηκευτεί σε μια μπαταρία για να τροφοδοτήσει άλλες διεργασίες, λέει ο García-Pintos.
Μια άλλη εφαρμογή θα μπορούσε να είναι η αντιστροφή της κβαντικής απο-συμφώνησης, του φαινομένου κατά το οποίο ένα κβαντικό σύστημα χάνει την ιδιαίτερη κβαντική του συμπεριφορά και μετατρέπεται σε ένα κλασικό σύστημα λόγω αλληλεπιδράσεων με το εξωτερικό περιβάλλον. Η απο-συμφώνηση αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για την κβαντική υπολογιστική, προσθέτει ο Rocco, επομένως ένα βήμα προς την κατεύθυνση της αναστρεψιμότητάς της θα ήταν τεράστιας σημασίας.
Ωστόσο, υπάρχουν προκλήσεις μπροστά μας, επισημαίνει ο Kater Murch, πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ. Η ακριβής εφαρμογή αυτών των Χαμιλτονιανών δυναμικών στην πράξη θα απαιτούσε τέλειες μετρήσεις χωρίς απώλεια πληροφοριών, λέει ο Murch, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Όμως, η τέλεια μέτρηση δεν είναι εφικτή. Επί του παρόντος, οι ερευνητές μετρούν τις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων ακτινοβολώντας τα είτε με οπτικό φως είτε με μικροκύματα, και στη συνέχεια συλλέγουν αυτό το φως για να δουν πώς μετατοπίζονται τα χαρακτηριστικά του. Αλλά η αποδοτικότητα με την οποία συλλέγουν αυτό το επιστρεφόμενο φως για να καταγράψουν τις αλλαγές του συστήματος είναι μόνο περίπου 50%, τονίζει, πράγμα που σημαίνει ότι ορισμένες λεπτομέρειες παραμένουν ασαφείς. «Από τη στιγμή που χάνουμε ένα μέρος του σήματος της μέτρησης, χάνουμε και την ακριβή εικόνα του τι κάνει το κβαντικό σύστημα», εξηγεί. Αυτό σημαίνει ότι προτού οι ερευνητές μπορέσουν να διαμορφώσουν με ακρίβεια την τέλεια Χαμιλτονιανή για να αντιστρέψουν τον χρόνο σε πραγματικά κβαντικά συστήματα, θα πρέπει πρώτα να γίνουν καλύτεροι στο πώς τα μετρούν.
Κάπως έτσι περιγράφεται η αντιστροφή του χρόνου στο άρθρο με τίτλο «What if time were reversed? Physicists show how time could flow backward on a quantum scale» στο περιοδικό scientificamerican.
Τελικά, μπορούν οι φυσικοί να αναστρέψουν τη ροή του χρόνου – έστω και μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή; Η απάντηση είναι κατηγορηματικά όχι. Αυτό που πραγματικά αναστρέφουν είναι η κβαντική κατάσταση του συστήματος, αναγκάζοντάς το να επιστρέψει σε μια διαμόρφωση που είχε στο παρελθόν. Η φυσική διαδικασία αντιστρέφεται, όχι ο χρόνος.
Κατηγορίες:ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ
physicsgg 
Σχολιάστε