Naukowcy odwracają kierunek strzałki czasu używając kwantowego komputera

Pojęcie entropii występuje w termodynamice, teorii prawdopodobieństwa, teorii informacji, teorii układów dynamicznych, a potocznie entropia określa miarę chaosu czy też, jak kto woli, losowości.

Entropia odnosi się do zachodzącego we wszechświecie poziomu nieporządku, który nieustannie wzrasta, dlatego też – przynajmniej teoretycznie – nie ma możliwości odwrócenia wydarzeń po ich wystąpieniu. Właściwość wszechświata określana jako entropia sprawia, że czas płynie rzekomo w wyznaczonym kierunku, czyli do przodu.

Pojęcie entropii opracował niemiecki fizyk Rudolf Clausius w roku 1854. Wiąże się ono bezpośrednio ze sformułowaną wcześniej przez francuskiego inżyniera i fizyka Sadi Carnota II zasadą termodynamiki – która wówczas nie nosiła tego miana, gdyż I zasada została sformułowana nieco później.

Skąd wiemy, że naprawdę istnieje coś takiego jak entropia? Fakt, że poziom nieporządku rośnie, jest kwestią logiki: jest coraz więcej nieuporządkowanych układów cząstek, niż układów uporządkowanych, co oznacza, że coraz więcej układów cząstek popada w nieład – chaos.

Czy można matematycznie opisać entropię? Owszem! Najkrócej rzecz ujmując, zmiana entropii w elemencie objętości przy (nieskończenie małej) zmianie stanu jest równa stosunkowi zmiany zawartości ciepła do temperatury.

Myśląc o zjawisku entropii i postępującym poziomie chaosu, spontanicznie pojawia się pytanie: dlaczego w przeszłości poziom entropii wszechświata był niski? Innymi słowy, jak to się stało, że wszechświat na samym początku jego istnienia był uporządkowany, pomimo, iż ogromna ilość energii gromadziła się na niewyobrażalnie małej przestrzeni? Być może istnieje trafne wytłumaczenie tego zjawiska. Stephen Hawking wyjaśnia pojęcie energii ujemnej w swojej książce Theory of Everything (New Millennium 2002):

Dwa bliskie sobie cząstki materii mają mniej dodatniej energii, niż te same dwie cząstki oddalone od siebie ponieważ pokonanie siły grawitacji, która je przyciąga, wymaga zużycia energii

Ponieważ rozdzielenie dwóch kawałków materii wymaga dodatniej energii, grawitacja musi wykorzystywać energię ujemną do ich połączenia. Zatem:

[..] pole grawitacyjne ma energię ujemną. W przypadku wszechświata, który jest w przybliżeniu jednorodny w przestrzeni, można pokazać, że ta ujemna energia grawitacji dokładnie anuluje energię dodatnią reprezentowaną przez materię. Zatem całkowita energia wszechświata wynosi zero

Entropia, a upływ czasu

Czy zatem entropia jednoznacznie sprawia, że czas płynie zawsze do przodu? Pojęcie strzałki czasu, oznaczającej kierunek upływu czasu, zostało wprowadzone i spopularyzowane przez brytyjskiego astrofizyka Arthura Eddingtona w 1927 roku, autora książki “The Nature of the Physical World”. Wzrost entropii określa termodynamiczną strzałkę czasu, a makroskopowy świat doświadcza tego w tym samym kierunku, co my.

Badacze odwrócili termodynamiczną strzałkę czasu!

Choć teoretycznie – zgodnie z zasadami termodynamiki – czas płynie zawsze w kierunku od przeszłości do przyszłości, a nigdy odwrotnie, czyli jest jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny, to naukowcom z międzynarodowego zespołu badawczego udało się odwrócić ten kierunek w pewnych kontrolowanych okolicznościach.

Badacze przeprowadzili eksperyment kwantowy, który początkowo mógł wydawać się sprzeczny z zasadami termodynamiki, gdyż naukowcom udało się stworzyć spontaniczny przepływ ciepła z zimnego układu do gorącego układu. W rzeczywistości jednak, w trakcie eksperymentu nie zostało podważone żadne znane nam prawo fizyki. Badanie podkreśla złożony związek zachodzący pomiędzy mechaniką kwantową, termodynamiką i samym czasem. Zdaniem naukowców to odwrócenie przepływu ciepła nie ogranicza się do ekstremalnie mikroskopijnych układów (źródło 1).

Odwrócenie strzałki czasu na komputerze kwantowym IBM

Powyżej opisany eksperyment nie jest jedynym w swoim rodzaju. Całkiem niedawno zupełnie inny zespół naukowy opracował algorytm symulujący powrót cząstki na krótko do przeszłości. Wyniki eksperymentu otwierają nowe ścieżki badania wstecznego przepływu czasu w układach kwantowych. Pojawiają się także nowe możliwości kwantowego testowania programów komputerowych i korekcji błędów.

Chociaż w naturze odwrócenie kierunku upływu czasu może wydawać się wykładniczo nieprawdopodobne, naukowcom udało się zaprojektować algorytm kwantowy, który symuluje taką sytuację! Zastosowanie tego złożonego algorytmu na komputerze kwantowym IBM umożliwiło zaprezentowanie odwrócenia kierunku czasu dla pojedynczej cząstki (źródło 2).