Czas nie istnieje, to iluzja – twierdzą (niektórzy) fizycy

Nowa teoria kwantowa może wyjaśniać upływ czasu

Poję­cie tzw. strzał­ki cza­su zosta­ło wpro­wa­dzo­ne w 1927 roku przez bry­tyj­skie­go astro­fi­zy­ka, Arthu­ra Edding­to­na. Strzał­ka ta ozna­cza nic inne­go, jak czas, któ­ry zawsze upły­wa w jed­nym kie­run­ku, tj. od prze­szło­ści do przy­szło­ści i pro­ces ten nie może zostać odwró­co­ny.

Zja­wi­ska takie jak sty­gnię­cie kawy czy zawa­la­nie się budyn­ków, są czymś zupeł­nie nor­mal­nym. Jed­nak gdy­by tak odwró­cić wszyst­kie pra­wa fizy­ki, ener­gia zaczę­ła­by się kumu­lo­wać, zamiast roz­pra­szać. W związ­ku z tym, zim­na kawa nagrze­wa­ła­by się, a budyn­ki powsta­wa­ły­by z ruin. Jed­nak nowa teo­ria kwan­to­wa, opra­co­wa­na przez fizy­ków, może wyja­śniać upływ cza­su. Twier­dzą oni, że ener­gia roz­pra­sza się, a obiek­ty uzy­sku­ją rów­no­wa­gę ze wzglę­du na spo­sób, z jakim cząst­ki ele­men­tar­ne prze­pla­ta­ją się, gdy oddzia­łu­ją na sie­bie. Jest to stan nazy­wa­ny splą­ta­niem kwantowym.

Od lewej: Noah Lin­den, San­du Pope­scu, Tony Short i Andre­as Winter.

San­du Pope­scu (kon­takt), Tony Short (kon­takt), Noah Lin­den (kon­takt) oraz Andre­as Win­ter (kon­takt) opi­sa­li odkry­cie w 2009 roku w cza­so­pi­śmie Phy­si­cal Review E.

Twier­dzi­li oni, że obiek­ty osią­ga­ją rów­no­wa­gę, czy­li stan jed­no­li­tej dys­try­bu­cji ener­gii, w cią­gu nie­skoń­czo­nej ilo­ści cza­su plą­ta­jąc się kwan­to­wo z ich oto­cze­niem. W 2012 roku Tony Short udo­wod­nił, iż plą­ta­nie się powo­du­je zrów­no­wa­że­nie w skoń­czo­nym cza­sie. Nato­miast w lutym tego roku, poja­wi­ła się pra­ca dwóch zespo­łów nauko­wych, któ­re obli­czy­ły, że więk­szość fizycz­nych sys­te­mów rów­no­wa­ży się szyb­ko – czas jest pro­por­cjo­nal­ny do ich wielkości.

Jeśli kie­ru­nek badań jest pra­wi­dło­wy, to zagad­nie­nie strzał­ki cza­su zaczy­na się od idei mecha­ni­ki kwan­to­wej, według któ­rej natu­ra jest trud­na do okre­śle­nia. Czą­st­ce ele­men­tar­nej bra­ku­je pre­cy­zyj­nych wła­ści­wo­ści fizycz­nych i jest okre­śla­na tyl­ko przez praw­do­po­do­bień­stwo bycia w róż­nych sta­nach. Przy­kła­do­wo w danej chwi­li, cząst­ki mogą mieć 50% szans, aby obra­cać się zgod­nie ze wska­zów­ka­mi zega­ra oraz 50%, aby obra­cać się w prze­ciw­ną stro­nę. Twier­dze­nie, któ­re zosta­ło popar­te doświad­cze­nia­mi przez fizy­ka Joh­na Bel­la gło­si, że nie ist­nie­je praw­dzi­wy stan cząst­ki i pozo­sta­je kie­ro­wa­nie się praw­do­po­do­bień­stwem.

Kwan­to­wa nie­pew­ność pro­wa­dzi następ­nie do splą­ta­nia. Gdy dwie czą­stecz­ki oddzia­łu­ją na sie­bie, nie mogą one zostać okre­ślo­ne nawet przez same sie­bie, nie­za­leż­nie roz­wi­ja­jąc praw­do­po­do­bień­stwa, zwa­ne sta­nem czy­stym. Zamiast tego, sta­ją się splą­ta­ny­mi skład­ni­ka­mi bar­dziej skom­pli­ko­wa­ne­go roz­kła­du praw­do­po­do­bień­stwa, któ­re opi­su­je razem obie czą­stecz­ki. Roz­kład ten może decy­do­wać np. czy cząst­ki obra­ca­ją się w prze­ciw­nym kierunku.

Fili­żan­ka gorą­cej kawy dąży do rów­no­wa­gi z ota­cza­ją­cym powie­trzem; cząst­ki kawy (bia­łe) i czą­stecz­ki powie­trza (brą­zo­we) ule­ga­ją inte­rak­cji i splą­tu­ją się w mie­sza­ni­nę brą­zo­wych i bia­łych sta­nów. Po pew­nym cza­sie więk­szość czą­stek w kawie zosta­je sko­re­lo­wa­na z czą­stecz­ka­mi powie­trza; kawa osią­ga rów­no­wa­gę termiczną.

Sys­tem ten, jako całość, jest w sta­nie czy­stym, ale stan poszcze­gól­nych czą­stek jest powią­za­ny z tą dru­gą cząst­ką. Obie mogą podró­żo­wać na odle­głość wie­lu lat świetl­nych od sie­bie, a spin każ­dej z nich pozo­sta­nie sko­re­lo­wa­ny z tą dru­gą. Albert Ein­ste­in nazwał to zja­wi­sko „upior­nym dzia­ła­niem na odle­głość”.

W 1988 roku Seth Lloyd (kon­takt), pro­fe­sor inży­nie­rii mecha­nicz­nej i fizy­ki w Mas­sa­chu­setts Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy (MIT), po raz pierw­szy przed­sta­wił teo­rię („Czar­ne dziu­ry, demo­ny i utra­ta spój­no­ści: jak zło­żo­ne sys­te­my uzy­sku­ją infor­ma­cję i co z nią robią”) > [PDF], według któ­rej splą­ta­nie może wyja­śniać strzał­kę cza­su. Nauko­wiec zdał sobie spra­wę, że nie­pew­ność kwan­to­wa oraz spo­sób, z jakim się roz­prze­strze­nia, gdy czą­stecz­ki sta­ją się coraz bar­dziej splą­ta­ne, mogą być praw­dzi­wym źró­dłem strzał­ki czasu.

Lloyd przez kil­ka lat stu­dio­wał ewo­lu­cję czą­stek w zakre­sie zmian zero-jedyn­ko­wych. Odkrył, że gdy cząst­ki sta­ją się coraz bar­dziej splą­ta­ne ze sobą, infor­ma­cja któ­ra je pier­wot­nie opi­sy­wa­ła, może zmie­nić się i opi­sy­wać układ splą­ta­nych czą­ste­czek jako całość. Osta­tecz­nie, kore­la­cje zawie­ra­ły wszyst­kie infor­ma­cje, ale poszcze­gól­ne cząst­ki nie zawie­ra­ły żad­nych. Nauko­wiec odkrył, że w tym momen­cie czą­stecz­ki docho­dzą do sta­nu rów­no­wa­gi, a ich sta­ny prze­sta­ły się zmie­niać. Jako przy­kład poda­no kawę, któ­ra schło­dzi­ła się do tem­pe­ra­tu­ry pokojowej.

W 2009 roku, zespół uczo­nych z Uni­wer­sy­te­tu w Bri­sto­lu (Pope­scu, Short, Lin­den i Win­ter) udo­wod­nił, że gdy obiekt oddzia­łu­je z oto­cze­niem, przy­kła­do­wo gdy czą­stecz­ki z fili­żan­ki kawy zde­rza­ją się z powie­trzem, infor­ma­cje o ich wła­ści­wo­ściach „wycie­ka­ją” na zewnątrz i sta­ją się „roz­ma­za­ne” w całym śro­do­wi­sku. Utra­ta infor­ma­cji powo­du­je, że stan kawy sta­gnu­je, nawet gdy stan czy­sty całe­go pomiesz­cze­nia nadal ewo­lu­uje. Pope­scu powie­dział, że jej stan prze­sta­je się zmie­niać w czasie.

Gdy stan czy­sty pomiesz­cze­nia ewo­lu­uje, kawa mogła­by nagle stać się nie­zmie­sza­na z powie­trzem i wpro­wa­dzić wła­sny czy­sty stan. Jed­nak ist­nie­je znacz­nie wię­cej sta­nów mie­sza­nych niż sta­nów czy­stych, dostęp­nych dla kawy, przez co prak­tycz­nie nigdy się nie zda­rza­ją. To sta­ty­stycz­ne nie­praw­do­po­do­bień­stwo daje strzał­ce cza­su wra­że­nie nieodwracalności.

Nowa teo­ria doty­czą­ca strzał­ki cza­su okre­śla to jako utra­tę infor­ma­cji poprzez splą­ta­nie kwan­to­we, któ­re kie­ru­je fili­żan­kę kawy do rów­no­wa­gi z ota­cza­ją­cym ją pomiesz­cze­niem. Ewen­tu­al­nie pomiesz­cze­nie osią­ga rów­no­wa­gę z oto­cze­niem zewnętrz­nym, a to z kolei kie­ru­je się powo­li ku rów­no­wa­dze z resz­tą Wszech­świa­ta. XIX-wiecz­ni naukow­cy, któ­rzy zaj­mo­wa­li się ter­mo­dy­na­mi­ką, postrze­ga­li ten pro­ces jako stop­nio­we roz­pra­sza­nie ener­gii, któ­re zwięk­sza entro­pię Wszechświata.

Dziś fizy­cy uwa­ża­ją, że infor­ma­cja sta­je się coraz bar­dziej roz­pro­szo­na, lecz nigdy nie zani­ka cał­ko­wi­cie. Choć entro­pia wzra­sta lokal­nie, ich zda­niem ogól­na entro­pia Wszech­świa­ta sta­le pozo­sta­je na pozio­mie zera. Jed­nak jeden z aspek­tów, doty­czą­cych strzał­ki cza­su, pozo­sta­je nie­roz­wią­za­ny. Pope­scu powie­dział, że nie wyja­śnia ona, dla­cze­go stan począt­ko­wy Wszech­świa­ta był dale­ki od rów­no­wa­gi, suge­ru­jąc, że nale­ża­ło­by wyja­śnić natu­rę Wiel­kie­go Wybu­chu.

Nowe podej­ście musi się jesz­cze wyka­zać jako narzę­dzie do ana­li­zo­wa­nia wła­ści­wo­ści ter­mo­dy­na­micz­nych kon­kret­nych rze­czy, takich jak kawa, szkło czy egzo­tycz­ne sta­ny mate­rii. Cho­dzi o to, aby zna­leźć kry­te­ria opi­su­ją­ce rze­czy, któ­re zacho­wu­ją się przy­kła­do­wo tak, jak fili­żan­ka kawy. Nie­któ­rzy bada­cze wyra­ża­ją wąt­pli­wość co do nowe­go podej­ścia, jed­nak roz­wi­ja­nie się kon­cep­cji oraz nowy for­ma­lizm mate­ma­tycz­ny poma­ga obec­nie roz­wią­zy­wać teo­re­tycz­ne pyta­nia, doty­czą­ce termodynamiki.

Ucze­ni twier­dzą, że zdol­ność czło­wie­ka do zapa­mię­ta­nia prze­szło­ści, ale nie przy­szło­ści, rów­nież moż­na rozu­mieć jako two­rze­nie się związ­ków mię­dzy oddzia­łu­ją­cy­mi czą­stecz­ka­mi. Gdy czy­ta­my wia­do­mość na kart­ce papie­ru, mózg sta­je się sko­re­lo­wa­ny z nią za pośred­nic­twem foto­nów, któ­re docie­ra­ją do oczu. Dopie­ro od tego momen­tu może­my zapa­mię­tać, co mówi nam ta wiadomość.

Seth Lloyd prze­ko­nu­je, że teraź­niej­szość może być okre­ślo­na poprzez pro­ces kore­la­cji z naszym otoczeniem.

„Może­my dys­ku­to­wać o tym, że godzi­nę temu nasze mózgi były w sta­nie, któ­ry kore­lo­wał z mniej­szą ilo­ścią rze­czy. Ale nasz pogląd, że czas pły­nie – to zupeł­nie inna spra­wa” – mówi Lloyd.

Jego zda­niem potrzeb­ne będą kolej­ne rewo­lu­cje w dzie­dzi­nie fizy­ki, któ­re to wszyst­ko nam wyjaśnią.

John Moll

Sko­rzy­sta­no m.in. z:
Fizy­cy twier­dzą, że czas tak napraw­dę nie ist­nie­je – Źró­dło: TylkoNauka.pl (2014–02-21), InneMedium.pl
Splą­ta­nie kwan­to­we two­rzy ilu­zję upły­wu cza­su – Źró­dło: TylkoNauka.pl (2013–11-03), InneMedium.pl
Czas jest real­nym bytem – twier­dzi Lee Smo­lin – Źró­dło: TylkoNauka.pl (2013–09-11). Ory­gi­nał: WinnipegFreePress.com
Nowa teo­ria kwan­to­wa może wyja­śniać upływ cza­su – Źró­dło: TylkoNauka.pl (2014–05-03). Ory­gi­nał: QuantaMagazine.org

Zagad­ki Wszech­świa­ta z Mor­ga­nem Fre­ema­nem (ang.: Thro­ugh the Worm­ho­le) – to pro­gram nauko­wy, nada­wa­ny na kana­le Disco­ve­ry Scien­ce, pro­wa­dzo­ny przez ame­ry­kań­skie­go akto­ra Mor­ga­na Fre­ema­na. Sta­cja nada­ła już w pię­ciu sezo­nach 42 odcin­ki tego legen­dar­ne­go seria­lu. To tyl­ko jeden z nich. Peł­na lista: Wiki­pe­dia

Cykl Radio­wa Aka­de­mia Nauk w Radio TOK FM. Pro­gram pro­wa­dzi redak­tor Ceza­ry Łasicz­ka. Pro­fe­sor Jerzy Lewan­dow­ski (kon­takt) oraz dr Mar­cin Doma­ga­ła (kon­takt) – (oby­dwaj z Wydzia­łu Fizy­ki Uni­wer­sy­te­tu War­szaw­skie­go) oma­wia­ją nowy model teo­re­tycz­ny Kwan­to­wej Gra­wi­ta­cji, opi­su­ją­cy wyła­nia­nie się Cza­so­prze­strze­ni ze struk­tur ist­nie­ją­cych przed Wiel­kim Wybu­chem. Czy­li po pro­stu: jak naro­dził się Czas? Ilu­stra­cja: (powiększ) obraz Pablo Picas­sa „Kuch­nia“, o któ­rym jest mowa w audycji.