Fizycy od dawna zmagają się z zagadką „strzałki czasu” – spostrzeżeniem, że w naszym codziennym życiu czas płynie tylko w jednym kierunku: od przeszłości do przyszłości. Chociaż fizyka klasyczna sugeruje, że większość praw powinna działać równie dobrze w przód i w tył, druga zasada termodynamiki stanowi, że systemy w naturalny sposób dążą do nieporządku (entropii), tworząc drogę jednokierunkową w czasie.
Jednak w dziedzinie mechaniki kwantowej zasady gry się zmieniają. Nowe badania pokazują, że manipulując systemami kwantowymi, naukowcy mogą skutecznie „odsłonić” statystyczny ślad czasu, potencjalnie zamieniając sam proces pomiaru w źródło energii dla baterii kwantowych.
Symulacja odwrócenia czasu w świecie kwantowym
W układzie kwantowym kierunek czasu nie jest mierzony zegarem, ale poprzez porównanie pomiarów fizycznych z przewidywaniami matematycznymi. Kiedy pomiary te przebiegają według pewnego wzoru statystycznego, definiujemy system jako posuwający się „do przodu”.
Naukowcy z Krajowego Laboratorium Los Alamos, kierowani przez Luisa Pedro Garcíę-Pintosa, opracowali metodę odwrócenia tego wzorca. Wykorzystując precyzyjne narzędzia sterujące, potrafią przeciwdziałać zmianom zachodzącym podczas pomiaru.
„Jeśli pomiar podniesie mój system do góry, mogę go wymusić z powrotem” – wyjaśnia Garcia-Pintos. „Przeciwdziałając skutecznym pomiarom, możemy stworzyć trajektorie, które są bardziej spójne z procesem cofającym się niż do przodu”.
Zasadniczo zespół nie odbywa dosłownie podróży w czasie; raczej projektują ewolucję systemu w odwrotną stronę tak, aby zachowywał się tak, jakby proces się cofał.
Od pomiaru do pozyskiwania energii
Ten przełom ma ogromne implikacje dla rozwoju baterii kwantowych i miniaturowych silników kwantowych. W standardowej mechanice kwantowej sama czynność pomiaru układu — na przykład sprawdzenie spinu kubitu — powoduje wstrzyknięcie energii do tego układu. Zazwyczaj energię tę postrzega się jako efekt uboczny lub czynnik zakłócający delikatny stan kwantowy.
Nowa technika zmienia relację pomiędzy pomiarem a energią:
– Pomiar pośredni: Pośredni pomiar właściwości umożliwia badaczom obserwację kubitu bez niszczenia jego delikatnego stanu.
– Manipulacja mikrofalami: Wykorzystując sygnały z tych pomiarów, naukowcy mogą wykorzystywać impulsy promieniowania mikrofalowego do sterowania systemem.
– Przekierowanie energii: Zamiast pozwalać energii wymiaru na rozproszenie lub stworzenie chaosu, ta metoda przekierowuje ją, skutecznie wykorzystując wymiar jako zasób termodynamiczny.
Sprawdzanie rzeczywistości termodynamicznej
Choć koncepcja „odwrócenia czasu” brzmi jak science fiction, nie narusza podstawowych praw fizyki. Eksperci zauważają, że proces ten pozostaje ściśle ograniczony prawami termodynamiki.
Mauro Paternostro z Queen’s University w Belfaście zwraca uwagę, że ograniczenie nieporządku (odwrócenie strzałki czasu) wymaga zewnętrznego dopływu energii. Aby wyjaśnić tę „cenę”, posługuje się prostą analogią:
Wyobraź sobie zagracony pokój dziecięcy. Aby zmniejszyć bałagan i odwrócić chaos, musisz włożyć wysiłek i energię w sprzątanie.
W eksperymencie kwantowym rolę „czyszczenia” pełni zewnętrzny mechanizm kontrolny (impulsy mikrofalowe i przyrządy sterujące). Energia wydana na obrót jest większa lub równa energii uzyskanej w wyniku tego obrotu, co gwarantuje, że całkowita entropia Wszechświata będzie nadal rosła.
Droga naprzód
Chociaż badania stanowią znaczący skok teoretyczny i eksperymentalny, nie są jeszcze rozwiązaniem uniwersalnym. Obecna konfiguracja jest niezwykle specyficzna i zaprojektowana z myślą o kontrolowanych warunkach, co oznacza, że nie będzie łatwo dostosować ją do wszystkich typów rzeczywistych systemów kwantowych.
Podsumowując: ucząc się manipulować statystycznym kierunkiem procesów kwantowych, naukowcy znaleźli sposób na przekształcenie destrukcyjnego aktu pomiaru w kontrolowaną metodę pozyskiwania energii, torując drogę przyszłym urządzeniom magazynującym energię kwantową.
