Κβαντικές συσχετίσεις Αντίστροφο θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου
Ορισμένοι νόμοι δεν προορίζονται να παραβιαστούν. Πάρτε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η εντροπία - ένα μέτρο της αταξίας - δεν μειώνεται ποτέ σε ένα απομονωμένο σύστημα. Το γυαλί θρυμματίζεται, η κρέμα διαχέεται στον καφέ, τα αυγά ανακατεύονται — αλλά ποτέ το αντίστροφο. Αυτός είναι ο λόγος που η θερμότητα μετακινείται πάντα από το ζεστό στο κρύο:Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται η συνολική εντροπία. Ο νόμος είναι τόσο θεμελιώδης για τη φυσική μας πραγματικότητα που ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι είναι υπεύθυνος για τη φαινομενική ροή του χρόνου.
Ωστόσο, τα κβαντικά συστήματα, όπως πάντα, έχουν τον τρόπο να εισάγουν αινιγματικές εξαιρέσεις σε ό,τι φαίνονται σαν απαράβατοι κανόνες. Μια ομάδα φυσικών έκανε τη θερμότητα να ρέει αυθόρμητα από ένα κρύο κβαντικό αντικείμενο σε ένα ζεστό. Το πείραμα υπογραμμίζει τις στενές σχέσεις μεταξύ πληροφοριών, εντροπίας και ενέργειας που διερευνώνται στο εκκολαπτόμενο πεδίο της κβαντικής θερμοδυναμικής.
Η ομάδα, με έδρα τη Βραζιλία, πήρε ένα μόριο που αποτελούνταν από ένα άτομο άνθρακα, ένα άτομο υδρογόνου και τρία άτομα χλωρίου. Στη συνέχεια δημιούργησαν ένα μαγνητικό πεδίο για να ευθυγραμμίσουν τις πυρηνικές περιστροφές των δύο κβαντικών σωματιδίων ή «qubits» - των πυρήνων άνθρακα και υδρογόνου. Αυτό έκανε τους πυρήνες να συνδεθούν ή να συσχετιστούν, μετατρέποντάς τους σε ένα ενιαίο, αδιαχώριστο σύνολο, μια κβαντική κατάσταση δύο qubit.
Αυτοί οι συσχετισμοί κατέστησαν δυνατή την αινιγματική συμπεριφορά.
Παραδοσιακά, η εντροπία είναι το μέτρο του αριθμού των διαφορετικών διαμορφώσεων στις οποίες μπορεί να βρίσκεται ένα σύστημα. Σε ένα κλασικό σύστημα, η εντροπία ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα των εντροπιών καθενός από τα μέρη του.
Στον κβαντικό κόσμο, οι συσχετισμοί επηρεάζουν την εντροπία. Ένα σύστημα δύο qubit μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τέσσερις πιθανές καταστάσεις — που συμβολίζονται με 00, 01, 10 και 11 — και η εντροπία του ορίζεται από την πιθανότητα να βρίσκεται σε καθεμία από αυτές τις καταστάσεις. Συγκρίνοντας την εντροπία των μεμονωμένων qubits με την εντροπία του συσχετιζόμενου συστήματος, οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν το ποσό της συσχέτισης.
Το πείραμα ξεκινά με τα δύο σωματίδια να συσχετίζονται ισχυρά. Καθώς το πείραμα προχωρά, τα σωματίδια σταδιακά αποσυνδέονται και η συσχέτιση εξασθενεί. «Αυτό σημαίνει ότι το άθροισμα των μεμονωμένων εντροπιών μειώνεται», δήλωσε ο Kaonan Micadei, ερευνητής στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο ABC στο Σάο Πάολο της Βραζιλίας, ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη.
Εάν η συνολική εντροπία μειωνόταν ξαφνικά σε ένα κανονικό, ασύνδετο σύστημα, θα παραβίαζε τον δεύτερο νόμο. Αλλά εδώ, οι ερευνητές λαμβάνουν υπόψη τη συσχέτιση. Η αποδυνάμωση της συσχέτισης μοιάζει με ένα «καύσιμο που οδηγεί τη θερμότητα από το ψυχρότερο προς το θερμότερο σώμα», δήλωσε ο David Jennings, φυσικός στο Imperial College του Λονδίνου. Το κρύο qubit γίνεται πιο κρύο, το ζεστό qubit πιο ζεστό. Με άλλα λόγια, η θερμότητα ρέει από το κρύο στο ζεστό. Αυτό συμβαίνει λόγω «μιας αντιστάθμισης μεταξύ συσχετισμών και εντροπίας», δήλωσε ο Roberto Serra, φυσικός στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του ABC και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας πίσω από τη μελέτη.
Η λειτουργία αντιστρέφει αποτελεσματικά το βέλος του χρόνου, τουλάχιστον σε αυτό το απομονωμένο σύστημα. «Το θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου βασίζεται στην ιδέα ότι η εντροπία ενός κλειστού συστήματος μπορεί μόνο να αυξηθεί ή να παραμείνει σταθερή, αλλά ποτέ να μειωθεί», είπε ο Micadei. "Δημιουργώντας στο εργαστήριο ένα απομονωμένο σύστημα όπου η εντροπία μειώνεται, στο σύστημα το βέλος του χρόνου θα πρέπει να δείχνει προς την αντίθετη κατεύθυνση."
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι «το βέλος του χρόνου δεν είναι απόλυτη έννοια. εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή των αρχικών συνθηκών — επομένως είναι σχετικό», είπε ο Serra.
Το αποτέλεσμα είχε προβλεφθεί, αλλά αυτή ήταν η πρώτη φορά που επιτεύχθηκε η αναστροφή σε ένα φυσικό σύστημα. "Είναι μια ωραία πειραματική επίδειξη ενός γνωστού φυσικού αποτελέσματος", δήλωσε ο Seth Lloyd, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και ειδικός στις κβαντικές πληροφορίες.
Ωστόσο, οι ερευνητές έπαιξαν με το βέλος του χρόνου στο παρελθόν. Το 2012, μια ομάδα από το ESPCI ParisTech και το CNRS στη Γαλλία ζήτησε από τα κύματα του νερού να ακολουθήσουν εκ νέου την αρχική τους διαδρομή, αντιστρέφοντας τη μαθηματική περιγραφή του κύματος στο χρόνο. Και το 2016, μια άλλη ομάδα επαλήθευσε έναν παγκόσμιο τύπο για να διακρίνει την κατεύθυνση του βέλους του χρόνου χρησιμοποιώντας μια λεγόμενη κβαντική κουκκίδα.
Αν και η τρέχουσα εργασία δεν θα μας φέρει πιο κοντά στην κατασκευή μιας χρονομηχανής, μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον πραγματικό κόσμο. Ο Mauro Paternostro, ένας φυσικός στο Queen’s University Belfast, ερευνά τρόπους χρήσης παρόμοιων εφέ για τη δημιουργία κβαντικών αντλιών θερμότητας που έχουν απίστευτα υψηλή απόδοση. «Οι ευκαιρίες που προσφέρει μια μεγάλης κλίμακας κβαντική θερμομηχανή θα είναι απίστευτα μεγαλύτερες από αυτές των μικροσκοπικών εκδόσεων τους», είπε.
Το έργο θα μπορούσε επίσης να επηρεάσει τη σκέψη για την προέλευση του σύμπαντος. Ένας μακροχρόνιος γρίφος της κοσμολογίας είναι γιατί το σύμπαν ξεκίνησε σε μια τέτοια διαμόρφωση χαμηλής εντροπίας, επιτρέποντας στην εντροπία να αυξάνεται σε όλη την ιστορία του σύμπαντος (και, πιθανώς, επιτρέποντας στον χρόνο να ρέει). Συνδέοντας την εντροπία με τη διαπλοκή, ο Serra ελπίζει ότι το πείραμα θα μπορούσε να έχει «διεγερτικές συνέπειες» στις συζητήσεις σχετικά με το κοσμολογικό βέλος του χρόνου.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα Ισπανικά στο Investigacionyciencia.es
