Kaffe svalnar, byggnader kollapsar, ägg krossas och stjärnor går ut i ett universum som är avsett att flytta till en trist monotoni som kallas termisk jämvikt. Astronom och filosof Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) uttalade 1927 att den gradvisa spridningen av energi är ett bevis på "tidens pil" irreversibilitet.
Men till förvirring av hela generationer av fysiker motsvarar begreppet tidens pil inte fysikens grundlagar, som i tid verkar både i framåt och i motsatt riktning. Enligt dessa lagar, om någon kände vägarna för alla partiklar i universum och vänd dem, skulle energi samlas snarare än att spridas: kallt kaffe skulle börja värmas upp, byggnader skulle stiga upp från ruinerna och solljus riktas tillbaka mot solen.
"Vi hade svårigheter med klassisk fysik," säger professor Sandu Popescu, som undervisar i fysik vid University of Bristol i Storbritannien. "Om jag visste mer, skulle jag kunna vända tidvattnet och sätta ihop alla molekyler i det brutna ägget?"
Naturligtvis, säger han, tidens pil styrs inte av mänsklig okunnighet. Och ändå, sedan termodynamikens början på 1850-talet, har det enda kända sättet att beräkna utbredningen av energi varit en formel för den statistiska fördelningen av okända partikelbanor och demonstrationen att okunnighet suddar upp bilden över tid.
Fysiker upptäcker nu en mer grundläggande källa till tidens pil. Energi sprids, och föremål kommer i jämvikt, säger de, eftersom elementära partiklar förvirras under interaktion. De kallade denna konstiga effekt "kvantblandning" eller förfiltring.
"Vi kan äntligen förstå varför en kopp kaffe i ett rum kommer i balans med det", säger Bristol-baserade kvantefysiker Tony Short. "Det finns en förvirring mellan tillståndet för kaffekoppen och tillståndet i rummet."
Popescu, Short och deras kollegor Noah Linden och Andreas Winter rapporterade sin upptäckt i Physical Review E 2009 och uppgav att objekt kommer i jämvikt, eller jämnt fördelat energi, på obestämd tid lång tid på grund av kvantmekanisk blandning med miljön. En liknande upptäckt några månader tidigare gjordes av Peter Reimann från Bielefeld University i Tyskland efter att ha publicerat sina resultat i Physical Review Letters. Short och kollegor stödde sitt ärende 2012 genom att visa att förvirring inducerar jämvikt i tid. Och i ett papper som publicerades i februari på arXiv. org, två separata team har tagit nästa steg och beräknar att de flesta fysiska system snabbt balanserar ut i en tid som är direkt proportionell mot deras storlek."För att visa att detta gäller vår verkliga fysiska värld måste processerna ske inom en rimlig tidsram," säger Short.
Tendensen för att kaffe (och allt annat) kommer att komma i jämvikt är "väldigt intuitivt", säger Nicolas Brunner, en kvantefysiker vid Genève universitet. "Men när vi förklarar orsakerna till detta har vi för första gången fasta fundament med hänsyn till den mikroskopiska teorin."
Kampanjvideo:
Om den nya forskningsgränsen är korrekt, börjar tidens pil historia med den kvantmekaniska idén att naturen är grundläggande obestämd. En elementär partikel saknar specifika fysiska egenskaper och den bestäms endast av sannolikheten att befinna sig i vissa tillstånd. Till exempel, vid ett visst ögonblick kan en partikel rotera medurs med en 50% sannolikhet och moturs med en 50% sannolikhet. Den experimentellt testade teorem från den nordirländska fysikern John Bell säger att det inte finns något "sant" partikeltillstånd; sannolikheter är det enda som kan användas för att beskriva det.
Kvantosäkerhet leder oundvikligen till förvirring - den påstådda källan till tidens pil.
När två partiklar interagerar kan de inte längre beskrivas med separata, oberoende utvecklande sannolikheter som kallas "rena tillstånd". Istället blir de intrasslade komponenter i en mer komplex sannolikhetsfördelning som beskriver två partiklar tillsammans. De kan till exempel indikera att partiklar snurrar i motsatta riktningar. Systemet som helhet är i rent tillstånd, men tillståndet för varje partikel är "blandat" med tillståndet för den andra partikeln. Båda partiklarna kan flytta flera ljusår från varandra, men rotationen av en partikel kommer att korrelera med den andra. Albert Einstein beskrev det väl som "skrämmande handling på avstånd."
"Förvirring är på något sätt kärnan i kvantmekanik", eller lagarna som styr interaktioner i en subatomisk skala, säger Brunner. Detta fenomen är kärnan i kvantberäkning, kvantkryptografi och kvantteleportering.
Tanken om att förvirring kan förklara tidens pil kom först till Seth Lloyds sinne för 30 år sedan när han var 23 år gammal filosofieexamen från Cambridge University med en Harvard-examen i fysik. Lloyd insåg att kvantosäkerheten och dess utbredning när partiklar blir mer förvirrad kan ersätta mänsklig osäkerhet (eller okunnighet) i gamla klassiska bevis och bli den verkliga källan till tidens pil.
Med hjälp av ett lite känt kvantmekaniskt tillvägagångssätt, där informationsenheterna är de grundläggande byggstenarna, tillbringade Lloyd flera år med att studera utvecklingen av partiklar i termer av blandningar och nollor. Han fann att när partiklarna blev mer och mer blandade med varandra, kommer informationen som beskrev dem (till exempel 1 för rotation medurs och 0 för moturs) att beskriva systemet med sammanfiltrade partiklar i sin helhet. Partiklarna tycktes gradvis förlora sin oberoende och blev bonde för kollektivstaten. Med tiden överförs all information till dessa kollektiva kluster, medan enskilda partiklar inte alls har den. Vid denna tidpunkt, som Lloyd upptäckte, kommer partiklarna i ett jämviktstillstånd, och deras tillstånd slutar förändras, som en kopp kaffe svalnar till rumstemperatur.
”Vad händer egentligen? Saker blir mer sammankopplade. Tidens pil är pilen för tillväxten av korrelationer."
Denna idé, som beskrivs i Lloyds doktorsavhandling 1988, gick utan hinder. När forskaren skickade en artikel om detta till tidskriftens redaktionskontor fick han höra att "det finns ingen fysik i detta arbete." Kvantinformationsteorin "var djupt upopulär" vid den tiden, säger Lloyd, och frågor om tidens pil "var mycket psykos och otroliga nobelpristagare."
”Jag var ganska jävligt nära att bli taxichaufför,” sa han.
Sedan dess har framstegen inom kvantberäkning gjort kvantinformationsteori till ett av de mest aktiva områdena inom fysik. Lloyd är för närvarande professor vid Massachusetts Institute of Technology, han erkänns som en av grundarna av denna disciplin och hans glömda idéer återupplivas av ansträngningarna från fysiker från Bristol. Det nya beviset är mer generellt, säger forskare, och gäller för alla kvantsystem.
”När Lloyd presenterade idén i sin avhandling, var världen inte redo för den,” säger Renato Renner, chef för Institutet för teoretisk fysik vid schweiziska högre tekniska skolan i Zürich. - Ingen förstod honom. Ibland behöver du idéer för att komma i rätt tid."
Under 2009 resonerade bevis från ett team av Bristol-fysiker med kvantinformationsteoretiker som upptäckte nya sätt att tillämpa sina metoder. De visade att när föremål interagerar med sin miljö - som partiklar i en kopp kaffe interagerar med luft - information om deras egenskaper "läcker och sprids genom denna miljö", förklarar Popescu. Denna lokala förlust av information gör att kaffetillståndet förblir oförändrat, även om rena tillståndet i hela rummet fortsätter att förändras. Med undantag för sällsynta slumpmässiga fluktuationer, säger forskaren, "hans tillstånd slutar förändras över tiden."
Det visar sig att en kall kopp kaffe inte spontant kan värmas upp. I grund och botten, när det rena tillståndet i ett rum utvecklas, kan kaffe plötsligt fly från luften i rummet och återgå till ett rent tillstånd. Men det finns många fler blandade tillstånd än rena tillstånd, och praktiskt taget kan kaffe aldrig återgå till ett rent tillstånd. För att se detta måste vi leva längre än universum. Denna statistiska låga sannolikhet gör pilens tid irreversibel.”I grund och botten öppnar blandning ett stort utrymme för oss,” säger Popescu. - Föreställ dig att du är i en park med en grind framför dig. Så snart du kommer in i dem är du ur balans, befinner dig i ett stort utrymme och går vilse i det. Du kommer aldrig tillbaka till porten."
I den nya tidens pilhistoria förloras information i processen med kvantförvirring, inte på grund av den subjektiva bristen på mänsklig kunskap om vad som gör koppen kaffe och rummet i balans. Rummet balanserar så småningom med utsidan, och miljön rör sig ännu långsammare mot jämvikt med resten av universum. 1800-talets termodynamiska jättar betraktade denna process som en gradvis spridning av energi som ökar universumets totala entropi, eller kaos. Idag ser Lloyd, Popescu och andra i fältet tidens pil annorlunda. Enligt deras åsikt blir information mer och mer diffus, men försvinner aldrig helt. Även om entropin växer lokalt, förblir universumets totala entropi konstant och noll.
”Sammantaget är universum i ett rent tillstånd,” säger Lloyd. "Men dess enskilda delar, sammanflätade med resten av universum, kommer i ett blandat tillstånd."
Men ett mysterium med tidens pil förblir olöst. "Det finns inget i dessa verk som förklarar varför du börjar vid grinden," säger Popescu och återvänder till parkanalogin. "Med andra ord förklarar de inte varför universums ursprungliga tillstånd var långt ifrån jämvikt." Forskaren antyder att denna fråga hänför sig till Big Bangs natur.
Trots de senaste framstegen i beräkningar av jämviktstid kan den nya metoden fortfarande inte vara ett verktyg för att beräkna de termodynamiska egenskaperna för specifika saker som kaffe, glas eller ovanliga materietillstånd. (Vissa traditionella termodynamiker säger att de vet väldigt lite om den nya metoden.) "Poängen är att du måste hitta kriterier för vilka saker som uppträder som fönsterglas och vilka saker som en kopp te," säger Renner. "Jag tror att jag kommer att se nytt arbete i denna riktning, men det finns fortfarande mycket att göra."
Vissa forskare har ifrågasatt om denna abstrakta metod för termodynamik någonsin kommer att kunna exakt förklara hur specifika observerbara uppträder. Men konceptuella framsteg och en ny uppsättning matematiska formler hjälper redan forskare att ställa teoretiska frågor inom termodynamik, såsom de grundläggande begränsningarna för kvantdatorer och till och med universums slutliga öde.
"Vi funderar mer och mer på vad som kan göras med kvantmaskiner," säger Paul Skrzypczyk från Institute of Photonic Sciences i Barcelona. - Låt oss säga att systemet ännu inte är i jämvikt, och vi vill få det till att fungera. Hur mycket användbart arbete kan vi få ut? Hur kan jag ingripa för att göra något intressant?"
Caltech kosmologi teoretiker Sean Carroll tillämpar de nya formlerna i sitt senaste arbete med tidspilen i kosmologin. "Jag är intresserad av det mest långsiktiga ödet för den kosmologiska rymdtiden", säger Carroll, som skrev From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Från oändlighet här. Sökandet efter en ändlig tidsteori). "I den här situationen känner vi fortfarande inte alla nödvändiga fysiklagar, så det är vettigt att vända oss till den abstrakta nivån, och här tror jag att denna kvantmekaniska metod kommer att hjälpa oss."
Tjugosex år efter misslyckandet av Lloyds storslagna idé om pilens tid åtnjuter han dess renässans och försöker tillämpa idéerna från det sista verket till den paradox av information som faller i ett svart hål. "Jag tror att de nu kommer att börja prata om det faktum att det finns fysik i den här idén," säger han.
Och filosofi ännu mer.
Enligt forskare kan vår förmåga att komma ihåg det förflutna men inte framtiden, vilket är en förvirrande manifestation av tidens pil, också ses som en ökning av korrelationerna mellan samverkande partiklar. När du läser en anteckning på ett papper korrelerar hjärnan med informationen genom fotoner som kommer in i ögonen. Först från detta ögonblick kan du komma ihåg vad som står på papperet. Som Lloyd noterar, kan "nuet karakteriseras som processen för att skapa korrelationer med vår miljö."
Bakgrunden för den jämna tillväxten av vävning i hela universum är naturligtvis själva tiden. Fysiker understryker att trots stora framsteg när det gäller att förstå hur förändringar inträffar över tiden, har de inte kommit ett steg närmare förståelsen av själva tiden eller varför den skiljer sig från de andra tre dimensionerna i rymden (konceptuellt och i kvantmekanikens ekvationer) … Popescu kallar denna gåta "en av de största okända i fysiken."
"Vi kan diskutera att för en timme sedan vår hjärna var i ett tillstånd som korrelerade med färre saker," säger han.”Men vår uppfattning att tiden går är en helt annan sak. Troligtvis kommer vi att behöva en ny revolution inom fysiken som kommer att berätta om detta."