A jeśli czas jest iluzją kwantowego splątania? - Physical Review A

Czas może nie być fundamentalnym elementem naszej fizycznej rzeczywistości – dowodzą włoscy naukowcy na łamach Physical Review A.

Czas a splątanie kwantowe

.Włoscy naukowcy opracowali nowy teoretyczny model czasu, za pomocą którego dowodzą, że może on istnieć dzięki splątaniu między obiektami kwantowymi.

„Przez wieki czas był niekwestionowanym składnikiem fizyki. Jest tak głęboko zakorzeniony w naszej koncepcji rzeczywistości, że ludzie uważali, że nie potrzebuje definicji” – powiedział Alessandro Coppo z National Research Council we Włoszech, autor badania cytowany przez „New Scientist”.

Przypomniał, że wszystko zaczęło się zmieniać na początku XX w., kiedy teorie fizyki kwantowej oraz ogólnej i szczególnej teorii względności przedstawiły sprzeczne rozumienie czasu. W ogólnej teorii względności czas jest wbudowany w strukturę wszechświata – fizyczna rzeczywistość jest osadzona w czasoprzestrzeni. Według tej teorii czas może się zakrzywiać i rozszerzać w obecności grawitacji.

„Ale teoria kwantowa traktuje czas jako coś, co nie jest podatne na zmiany i nie zmienia się jak inne właściwości obiektu kwantowego – rejestrowanie jego upływu wymaga obserwatora, który ma kontakt z zewnętrznym zegarem” – tłumaczy Alessandro Coppo.

Ogólna teoria względności i teoria kwantowa opisują obiekty w zupełnie różnych skalach, takie jak gwiazdy i atomy, ale ponieważ wszystkie one istnieją w tym samym wszechświecie, wielu fizyków uważa, że koncepcja czasu powinna być spójna dla obu.

Wspólna koncepcja czasu

.Właśnie takiej jednolitej koncepcji poszukali włoscy naukowcy. Aby ją znaleźć, poddali kilku matematycznym testom obiecującą, ale – jak przyznają badacze – dziwną ideę z lat 80. XX w. Zgodnie z nią, gdy obserwator widzi, jak obiekt zmienia się w czasie, dzieje się tak tylko dlatego, że ten obiekt jest splątany z zegarem. To oznacza, że prawdziwy zewnętrzny obserwator stojący poza splątanym systemem widziałby całkowicie statyczny, niezmieniający się wszechświat.

W ramach tej koncepcji czas nie jest dany, lecz jest czystym wynikiem splątania. W swoim matematycznym modelu naukowcy przedstawili zegar jako system teoretycznych małych magnesów, które są splątane z oscylatorem kwantowym, czyli kwantową wersją sprężyny. Naukowcy wybrali te modele, ponieważ są one dobrze poznane matematycznie, co sprawia, że stanowią dobry przypadek testowy i przygotowują grunt pod przyszłe testy eksperymentalne.

Badacze odkryli, że ich system można opisać wersją słynnego równania Schrödingera, które służy do przewidywania zachowań cząstek kwantowych – z jedną kluczową różnicą. Tam, gdzie równanie Schrödingera zawierałoby zmienną, którą określa się czasem, nowe równanie miało zmienną wyliczającą stany kwantowe magnesów. Następnie, badacze powtórzyli te same obliczenia, zakładając, że magnesy i oscylator są wystarczająco duże, aby efekty kwantowe nie zmieniały ich zachowania. Uważali, że czas może być wynikiem splątania nawet dla obiektów, które wyglądają klasycznie, a nie kwantowo.

Okazało się, że mieli rację. Ich równania odpowiadały tym, których fizycy używali w XIX w do przewidywania zachowania klasycznych obiektów, takich jak toczące się kule bilardowe. Jednak nadal zmienna, która oznaczała każdy etap zachowania oscylatora, była produktem ubocznym splątania kwantowego.

„Fakt, że naukowcy zbadali specyficzny system i uzyskali zmienną odpowiadającą konwencjonalnemu czasowi, może nawet oznaczać, że jedynym sposobem myślenia o czasie jest traktowanie go jako wynikającego z kwantowości” – powiedział Basil Altaie z University of Leeds w Wielkiej Brytanii, cytowany przez „New Scientist”.

Z jego zdaniem zgodził się Alessandro Coppo. „Splątanie istnieje tylko w teorii kwantowej, a ta praca sugeruje, że istnienie czasu wynika właśnie ze splątania. Wierzymy, że natura jest naprawdę kwantowa” – powiedział Coppo. – „To może oznaczać, że jeśli odczuwamy upływ czasu, to w świecie fizycznym faktycznie mamy do czynienia ze splątaniem. Bo obserwator we wszechświecie pozbawionym splątania nie odczułby żadnej zmiany. Wszystko byłoby statyczne”.

Ponieważ naukowcy rozwinęli swoją myśl na bazie modelu teoretycznego, kolejnym krokiem będzie szukanie możliwości testowania tej idei. „Pomysł wyłaniania się czasu ze splątania kwantowego jest obiecujący, ale konieczne będzie doprecyzowanie naszego zrozumienia, czym jest czas – po to, by badać go eksperymentalnie” – powiedział Vlatko Vedral z University of Oxford.

Czym jest czas?

.Czas, chciałoby się rzec, upływa zawsze w jedną stronę, z przeszłości w przyszłość. A co by było, gdyby zaczął płynąć w stronę przeciwną? Na poziomie zdrowego rozsądku nie jesteśmy w stanie tego pytania zrozumieć. Ale jeśli czas to zmienna w równaniach fizyki, to rzecz staje się prosta – pisze filozof prof. Wojciech Sady we „Wszystko co Najważniejsze”.

„Zacznijmy od wyobrażeń potocznych. Czas płynie, mówimy. Co to znaczy, że płynie? W sensie dosłownym płynie woda w rzece, a płynąć może dlatego, że czas – użyjmy nieco innego słowa – upływa. To prowadzi nas natychmiast do kluczowego pytania: czy woda płynie, gdyż czas upływa, czy też czas upływa dlatego, że płynie woda? Co by było, gdyby wszystko, z najdrobniejszymi cząstkami włącznie, znieruchomiało, a w przestrzeni nie rozchodziło się promieniowanie? Czy w takim świecie czas by upływał?”

„Powtarzalne ruchy ciał niebieskich, a przede wszystkim Słońca, pozwalały już naszym najodleglejszym przodkom regulować swoje zachowania. Gdy stworzyli pierwsze cywilizacje, potrzebna stała się koordynacja zachowań ludzi mieszkających w odległych nieraz rejonach, a planowana ze znacznym niekiedy wyprzedzeniem. Zaczęto więc konstruować kalendarze. Przypisując siedmiu planetom – Słońcu, Księżycowi, Merkuremu, Wenus, Marsowi, Jowiszowi i Saturnowi – kolejne dni, Sumerowie cztery tysiące lat temu podzielili czas na siedmiodniowe tygodnie. Chyba jeszcze wcześniej liczono miesiące jako okresy, w których Księżyc przechodzi pełen cykl faz. Potrzeby rolnictwa wymagały użycia cykli słonecznych. Za dnia położenie Słońca pozwalało na określenie tego, co my nazywamy godziną. Tę samą rolę w nocy pełniły położenia gwiazd, tyle że poprawne posłużenie się nimi wymagało dodatkowo uwzględnienia pory roku (te trudności rozwiązało skonstruowanie astrolabium: jeśli na jego tarczy ustawiło się datę, to kierując wskazówkę instrumentu na wybraną gwiazdę można było odczytać godzinę).”

„teraz zapytajmy, czy prawa przyrody istnieją? Nie sposób temu zaprzeczyć. Skoro woda w rzece płynie zgodnie z prawami mechaniki, to te prawa muszą, lepiej lub gorzej, przedstawiać coś, co jest. Ale gdzie jest i w jaki sposób? Nie jest tu czy tam, ale, chciałoby się rzec, wszędzie. Nie jest w tej czy innej chwili, ale zawsze – wieczne, niezmienne. Prawa przyrody zdają się kierować biegiem procesów w widzialnym świecie spoza tego świata. Spoza przestrzeni i spoza czasu. Dwa tysiące czterysta lat temu próbował coś o tym napisać Platon. Nie udało mu się, ale i nam się nie udaje.”

PAP/Urszula Kaczorowska/Wszystko co Najważniejsze/JT