Fizycy demonstrują, jak odwrócić strzałę czasu

Jednym z ciekawszych wyzwań fizyki jest zrozumienie natury czasu. Na poziomie mikroskopowym prawa fizyki są symetryczne względem czasu — działają tak samo dobrze, niezależnie od tego, czy czas biegnie do przodu, czy do tyłu. Ale na poziomie makroskopowym wszystkie procesy mają preferowany kierunek. Wielki fizyk Arthur Eddington nazwał to strzałą czasu.

To, dlaczego ta strzałka wskazuje w jednym kierunku, a nie w drugim, jest jedną z wielkich naukowych zagadek. Standardową odpowiedzią jest to, że strzałka czasu wynika z Drugiej Zasady Termodynamiki – nieporządek, czyli entropia, zawsze wzrasta w układzie zamkniętym.

To dlatego mleko łatwo miesza się z herbatą, ale nigdy nie wypływa z naparu, dlaczego jajecznica nigdy nie jest samoczynnie rozszyfrowana, a poranny kubek kawy grzeje ręce, gdy go trzymasz, a nie na odwrót.

Ale działa jeszcze inny czynnik — początkowe warunki wszechświata. Z nieznanych powodów wczesny wszechświat był gorący, a jego energia była równomiernie rozłożona. Jest to stan o niskiej entropii dla układu zdominowanego przez grawitację.

Z biegiem czasu entropia stale rosła i to w dużej mierze zdeterminowało strzałkę czasu.

Ale to rodzi interesującą możliwość. Jeśli warunki początkowe wyznaczają strzałkę czasu, być może uda się stworzyć na Ziemi układy z warunkami początkowymi, które wymuszają bieg strzałki czasu w przeciwnym kierunku. W tych systemach jajka mógłby spontanicznie rozszyfrować i upał mógłby przepływ od zimnych przedmiotów do gorących.

Dzisiaj Kaonan Micadei z Federalnego Uniwersytetu ABC w Brazylii i kilku kumpli zbudowali taki system po raz pierwszy. W ich eksperymencie strzałka czasu biegnie w odwrotnym kierunku, pozwalając im obserwować zimny obiekt nagrzewający się do cieplejszego. Praca podnosi możliwość nowej generacji urządzeń, w których strzałka czasu biegnie do tyłu.

Egzotyczny nowy system to mieszanka chloroformu rozpuszczonego w zmywaczu do paznokci lub acetonu. Chloroform — CHCl3 — składa się z jednego atomu węgla, jednego atomu wodoru i trzech atomów chloru.

Stwarza to doskonały plac zabaw dla fizyków kwantowych, którzy są w stanie manipulować spinami jądrowymi pojedynczych jąder węgla i wodoru za pomocą techniki zwanej magnetycznym rezonansem jądrowym.

Pomysł polega na ustawieniu jąder za pomocą silnego pola magnetycznego. Fizycy używają następnie impulsów radiowych do odwrócenia jednego lub obu spinów, powodując ich skorelowanie lub splątanie. A słuchając sygnałów radiowych emitowanych przez jądra, fizycy mogą dowiedzieć się, jak ewoluują stany kwantowe jąder.

W tym samym czasie jądra węgla i wodoru pozostają w kontakcie termicznym, co oznacza, że ​​energia cieplna może przepływać od jednego do drugiego. Zespół może kontrolować temperaturę obu jąder poprzez selektywne ich podgrzewanie za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego. Kiedy jedno jądro jest gorętsze od drugiego, ciepło naturalnie przepływa od gorącego do zimniejszego.

W nowym eksperymencie Micadei i spółka zaobserwowali coś przeciwnego. A kluczem jest wcześniejsze splątanie jąder. Splątanie to dziwny proces kwantowy, w którym dwie cząstki kwantowe dzielą to samo istnienie. To właśnie to zjawisko wykorzystali Micadei i spółka, aby stworzyć unikalny zestaw warunków początkowych, które pozwalają na cofanie się czasu.

Kiedy jądra są splątane, korelacja nakłada dodatkowe ograniczenia na zachowanie cząstek, co skutkuje rodzajem silnika, który kieruje energię cieplną w przeciwnym kierunku. Zespół twierdzi, że obserwujemy spontaniczny przepływ ciepła z zimnego do gorącego systemu.

Ma to ważne implikacje dla naszego rozumienia czasu i jego związku z uwikłaniem i entropią. Nasze wyniki dotyczące termodynamicznej strzałki czasu mogą również mieć stymulujące konsekwencje dla kosmologicznej strzałki czasu, mówią Micadei i spółka, sugerując, że podobne korelacje mogą być odpowiedzialne za początkowe warunki wszechświata.

Istotnym punktem w tej pracy jest to, że zjawisko to nie ogranicza się do układów mikroskopowych. Rzeczywiście, te eksperymenty NMR działają w skali makro, w której do obserwowanego sygnału przyczynia się ogromna liczba cząsteczek. Tak więc wynik może również pozwolić na nową generację urządzeń, które przenoszą ciepło z zimnych regionów do gorących.

Interesująca praca nad podstawami czasu.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1711.03323 : Odwracanie termodynamicznej strzałki czasu za pomocą korelacji kwantowych

ukryć