Fizycy z uniwersytetów w Bristolu, Wiedniu i na Balearach oraz z wiedeńskiego Instytutu Informacji i Optyki Kwantowej (IQOQI) wykazali, że kwantowe układy mogą zachowywać się bardzo dziwnie. Wygląda to tak, że nie można określić w nich upływu czasu.

Prawa termodynamiki przewidują, że znacznie bardziej prawdopodobne jest, że nieuporządkowanie danego układu będzie z czasem rosło, niż malało. Wzrost uporządkowania nie jest zabroniony. Jednak prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest znikome. Wynika to z faktu, że nieuporządkowanych ułożeń cząsteczek jest znacznie więcej niż uporządkowanych.

Z tego powodu też znacznie łatwiej jest coś rozsypać niż potem zebrać. Miarę takiego nieuporządkowania fizycy nazywają entropią. Entropia we Wszechświecie stale rośnie, a przeciwdziałanie temu wymaga zużycia energii.

To, czym jest czas i dlaczego płynie, nadal stanowi tajemnicę. W fizyce przyjmuje się zatem często, że upływ czasu jest po prostu miarą wzrostu entropii. Jej wzrost wskazuje kierunek upływu czasu, co fizycy nazywają „strzałką czasu”.

Cofająca się pasta do zębów, czyli spadek entropii czasem się zdarza

Eksperyment opisany w czasopiśmie naukowym „Communications Physics” każe te założenia przemyśleć. W świecie kwantów strzałka czasu wcale nie musi wskazywać przyszłości. Może się cofać. A czasem może się zacinać.

Jak tłumaczy dr Giulia Rubino z Laboratorium Technologii i Inżynierii Kwantowej Uniwersytetu w Bristolu, główna autorka pracy, odwrócenie dużego wzrostu entropii jest tak nieprawdopodobne, że można je uznać za niemożliwe. Ale jeśli entropia wzrasta tylko odrobinę, można czasem zaobserwować, że zmaleje sama z siebie.

Jako przykład z codziennego życia podaje przykład wyciskania pasty do zębów z tubki. Jeśli wyciśniemy jej dużo, nie ma szans, by sama cofnęła się do tubki. Jeśli jednak tubkę naciśniemy ostrożnie, tak by pasty wyszło bardzo mało, można czasem zaobserwować to, że się do tubki cofnie.

Dokładnie ten sam efekt wywołali naukowcy w kwantowym układzie. Jest jednak pewien kwantowy haczyk.

W świecie kwantów czas może się zacinać

W świecie kwantów cząstki mogą znajdować się w stanie superpozycji, czyli w dwóch stanach naraz. Fizykom udało się sprawić, by układ cząstek jednocześnie ewoluował w stronę wyższego i niższego nieuporządkowania. Innymi słowy, entropia tego układu jednocześnie rosła i malała.

To tak, jakby wspomniana pasta jednocześnie cofała się do tubki i z niej wychodziła. Strzałka czasu zatem była w tym przypadku nie do określenia. Można powiedzieć, że w takim układzie czas, zamiast płynąć w przód, zacina się. Wówczas strzałka czasu wskazuje oba kierunki naraz.

– To wydaje się raczej nonsensowne w odniesieniu do naszych codziennych doświadczeń. Jednak na najbardziej podstawowym poziomie prawa rządzące Wszechświatem to prawa mechaniki kwantowej. To rodzi pytanie, dlaczego takiej superpozycji upływu czasu w układach kwantowych nigdy nie obserwujemy w naturze – mówi dr Rubino.

Czas w świecie kwantów może nie być czymś zdefiniowanym

– Chociaż czas często traktujemy jako pewien stale rosnący parametr, nasze badanie wskazuje, że prawa rządzące jego upływem w świecie mechaniki kwantowej są znacznie bardziej złożone. Być może trzeba przemyśleć, w jaki sposób opisujemy czas w sytuacjach, gdy do głosu dochodzą prawa fizyki kwantowej – mówi dr Rubino.

Innymi słowy, eksperyment ten może dowodzić, że czas w świecie kwantów może nie być czymś dobrze zdefiniowanym. Z drugiej strony, wynik może też sugerować, że to nie wzrost entropii odpowiada za upływ czasu.

Jak dodają badacze, praca ma też praktyczne znaczenie dla termodynamiki kwantowej. Takie układy, w których entropia rośnie i maleje jednocześnie, mogą przydać się do tworzenia wydajniejszych kwantowych silników cieplnych i układów chłodzenia.

Źródła: Bristol University, Nature Communications Physics.