Φυσικοί υπολόγισαν το απόλυτο μαθηματικό όριο της αντίστροφης ροής του χρόνου

Σύνοψη

• Η θεωρητική αντίστροφη ροή του χρόνου σε επίπεδο κβαντικής μηχανικής είναι μαθηματικά εφικτή, αλλά υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς περιορισμούς εξαιτίας της απώλειας δεδομένων στο φυσικό περιβάλλον.
• Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ και το Ινστιτούτο Προηγμένων Ερευνών του Ισραήλ υπολόγισαν το απόλυτο όριο αναστρεψιμότητας στο ένα φεμτοδευτερόλεπτο (ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου).
• Το πείραμα προσομοίωσης βασίστηκε στην αυθόρμητη εκπομπή φωτονίων και την εφαρμογή κβαντικής υπέρθεσης, εξετάζοντας την αντίστροφη πορεία των διεγερμένων ατόμων.
• Ουσιαστικά αποδεικνύεται πως το «βέλος του χρόνου» ξεκινά την αμετάκλητη πορεία του ακριβώς τη στιγμή που ένα κβαντικό σύστημα χάνει τη συνοχή του, διατηρώντας απόλυτα σεβαστό τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Η αντίληψη που έχουμε για τον χρόνο χαρακτηρίζεται από μια αυστηρή και αδιαπραγμάτευτη κατεύθυνση, καθώς η εμπειρία μας επιβεβαιώνει διαρκώς ότι τα γεγονότα διαδέχονται το ένα το άλλο με γραμμική σειρά και κατεύθυνση πάντοτε προς το μέλλον. Στο πλαίσιο της γενικής και ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, γνωρίζουμε πλέον πολύ καλά ότι η ταχύτητα ροής του χρόνου δεν αποτελεί μια σταθερή ή αμετάβλητη οντότητα, αλλά αντίθετα μπορεί να επηρεαστεί δραματικά από την παρουσία ισχυρών βαρυτικών πεδίων ή από την ασύλληπτη ταχύτητα με την οποία ενδέχεται να κινείται ένας παρατηρητής. 

Για παράδειγμα, τα ρολόγια που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης, βαθύτερα μέσα στο βαρυτικό της πηγάδι, χτυπούν ελάχιστα πιο αργά σε σύγκριση με τα ρολόγια που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη, λειτουργώντας ακριβώς όπως προβλέπουν οι εξισώσεις. Παρόλα αυτά, ακόμη και κάτω από τις πιο ακραίες συνθήκες που εξετάζει η σύγχρονη κοσμολογία, η ροή παραμένει αποκλειστικά μονόδρομη, αποκλείοντας με κατηγορηματικό τρόπο κάθε ενδεχόμενο επιστροφής στο παρελθόν.

Η μετάβαση όμως από τη μακροσκοπική κλίμακα των άστρων και των γαλαξιών στο εξαιρετικά πολύπλοκο πεδίο της κβαντικής μηχανικής επιτρέπει την εξέταση θεωρητικών μοντέλων, όπου ο χρόνος ενδέχεται όχι μόνο να επιβραδύνεται, αλλά υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις να κινείται με αντίστροφη φορά. Οι κορυφαίοι φυσικοί Yakir Aharonov από το Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ και Avshalom C. Elitzur από το Ινστιτούτο Προηγμένων Ερευνών του Ισραήλ αποφάσισαν να ερευνήσουν μαθηματικά το πόσο μακριά στο παρελθόν θα μπορούσε να φτάσει μια τέτοια αντιστροφή, ανακαλύπτοντας μέσα από μια νέα μελέτη που αναρτήθηκε στο arXiv ότι το ίδιο το κβαντικό περιβάλλον επιβάλλει ένα εξαιρετικά βραχύβιο όριο το οποίο είναι αδύνατο να παρακαμφθεί.

Η θεωρητική μηχανή του χρόνου και η δύναμη της κβαντικής υπέρθεσης

Το 1990, ο φυσικός Yakir Aharonov πρότεινε τον σχεδιασμό μιας θεωρητικής κβαντικής μηχανής, η οποία αξιοποιεί την κβαντική υπέρθεση για την εκτέλεση χρονικής μετατόπισης. Τοποθετώντας ένα υποθετικό ατομικό ρολόι ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικά βαρυτικά πεδία, η διαφορά στη βαρυτική έλξη προκαλεί μετρήσιμη απόκλιση στη χρονική ροή. Μέσω της αυστηρής διαδικασίας επιλογής αποτελεσμάτων, προκύπτει μαθηματικά η πιθανότητα το σύστημα να καταγράψει αρνητικό χρόνο λειτουργώντας προς τα πίσω.

Αυτό το θεωρητικό κατασκεύασμα σχεδιάστηκε στα χαρτιά με κύριο σκοπό να κάνει ένα απομονωμένο σύστημα να συμπεριφέρεται με τρόπους που αψηφούν την κοινή λογική. Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής επιτρέπουν την παράλληλη συνύπαρξη δύο ξεχωριστών πραγματικοτήτων μέχρι τη στιγμή που τα δύο τμήματα της υπέρθεσης θα ενωθούν ξανά δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται κβαντική συμβολή (quantum interference). Εδώ ακριβώς υπεισέρχεται η μαθηματική διαδικασία του post-selection. Μέσα από την αυστηρή απομόνωση ενός πολύ συγκεκριμένου τμήματος των αποτελεσμάτων αυτής της συμβολής, προκύπτει τελικά η απροσδόκητη πιθανότητα το ρολόι να συμπεριφερθεί σαν να έχει βιώσει ένα αρνητικό ποσό χρόνου, υποδηλώνοντας την αδιάλειπτη κίνησή του προς τα πίσω.

Η αυθόρμητη εκπομπή φωτονίων και η πρόκληση της αναστρεψιμότητας

Για να επαληθευτεί μαθηματικά η θεωρία της αντίστροφης πορείας στον χρόνο ύστερα από 36 ολόκληρα χρόνια συνεχούς έρευνας, οι δύο επιστήμονες έπρεπε να βρουν μια θεμελιώδη διαδικασία, η οποία στο φυσικό μας Σύμπαν εκτυλίσσεται πάντοτε μόνο προς μία κατεύθυνση. Η αυθόρμητη εκπομπή ακτινοβολίας από τα διεγερμένα άτομα προσέφερε το ιδανικό θεωρητικό πεδίο δοκιμής για τους πολύπλοκους υπολογισμούς τους. Όταν ένα τυχαίο άτομο απορροφά μια ποσότητα ενέργειας, ορισμένα από τα ηλεκτρόνιά του μεταβαίνουν αυτομάτως σε μια διεγερμένη κατάσταση υψηλότερης ενέργειας, προτού τελικά υποκύψουν στη φυσική τους τάση να επιστρέψουν στο χαμηλότερο ενεργειακό τους επίπεδο απελευθερώνοντας το πλεόνασμα ενέργειας με τη μορφή φωτονίων.

Υπό κανονικές συνθήκες, η επιστροφή του εκπεμπόμενου φωτονίου πίσω στο ίδιο άτομο και η ταυτόχρονη επαναδιέγερση του αποτελεί μια εντελώς αδύνατη φυσική εξέλιξη. Η ερευνητική ομάδα οραματίστηκε ένα εντυπωσιακό νοητικό πείραμα με πρωταγωνιστές εκατό διεγερμένα άτομα, εκ των οποίων ορισμένα έχουν ήδη υποστεί αποδιέγερση. Προκειμένου να αποφύγουν την απώλεια αυτών των φωτονίων στον χώρο, υπέθεσαν ότι τα άτομα βρίσκονται εγκλωβισμένα σε ένα απολύτως μονωμένο κελί το οποίο διαθέτει τοιχώματα ικανά να απορροφούν και να συγκρατούν το φως. Περνώντας ολόκληρο το σφραγισμένο κελί μέσα από τη θεωρητική κβαντική μηχανή χρόνου που είχαν σχεδιάσει, εξέτασαν εξονυχιστικά αν το σύστημα μπορεί να αναγκάσει τα απορροφημένα φωτόνια να επιστρέψουν στην πηγή τους, αποδεικνύοντας στην πράξη ότι η ακολουθία των γεγονότων αντιστράφηκε.

Το όριο του ενός φεμτοδευτερολέπτου και η απώλεια συνοχής

Το φυσικό περιβάλλον αποδεικνύεται ένας ιδιαίτερα αυστηρός παρατηρητής που επιβάλλει τους δικούς του αμετάκλητους κανόνες προστατεύοντας τη ροή των γεγονότων. Ακόμη και στο εσωτερικό του απολύτως μονωμένου κελιού που περιγράφει το πείραμα, τα άτομα συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν αναπόφευκτα με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω τους καθώς εκπέμπουν το φως, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ανεξίτηλα ίχνη της διαδικασίας που μόλις έλαβε χώρα.

Η ικανότητα της κβαντικής μηχανής να αντιστρέψει την ατομική διάσπαση εξαρτάται αποκλειστικά από την πλήρη διατήρηση των κβαντικών πληροφοριών χωρίς την παραμικρή διαρροή. Οι υπολογισμοί των Aharonov και Elitzur απέδειξαν ότι το χρονικό παράθυρο μέσα στο οποίο η κβαντική συνοχή παραμένει απόλυτα άθικτη για το απλούστερο θεωρητικό μοντέλο περιορίζεται στο ασύλληπτα μικρό διάστημα του ενός φεμτοδευτερολέπτου. Πρόκειται κυριολεκτικά για το ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, ένα χρονικό όριο τόσο μικρό που αψηφά την ανθρώπινη αντίληψη. Μόλις η χρονική διάρκεια υπερβεί αυτό το ελάχιστο κλάσμα, το ευρύτερο περιβάλλον έχει αποθηκεύσει αναπόφευκτα υπερβολικά μεγάλο όγκο πληροφοριών σχετικά με την εκπομπή, καθιστώντας εντελώς αδύνατη την παρέμβαση των δύο υπερτιθέμενων καταστάσεων. Το συμπέρασμα είναι ξεκάθαρο, καθώς το όριο δεν τίθεται από την ίδια τη φύση του χρόνου αλλά πρωτίστως από την άσβεστη μνήμη του περιβάλλοντος.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής παραμένει κυρίαρχος

Η διατύπωση μιας μαθηματικής ιδέας, η οποία εμπεριέχει έστω και κλασματικά έναν χρόνο που κυλά αντίστροφα προκαλεί μια τεράστια εννοιολογική σύγκρουση με τον πανίσχυρο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός υπαγορεύει ακλόνητα πως η συνολική εντροπία ενός κλειστού συστήματος οφείλει να αυξάνεται σταθερά στο πέρασμα του χρόνου, οδηγώντας αναπόδραστα την ύλη από καταστάσεις υψηλής τάξης προς καταστάσεις αυξανόμενης αταξίας. Ο διαπρεπής αστροφυσικός Sir Arthur Eddington είχε τονίσει στο παρελθόν πως οποιαδήποτε θεωρία αποδεικνύεται ικανή να παραβιάσει τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής είναι καταδικασμένη να καταρρεύσει μέσα στη βαθύτερη επιστημονική ταπείνωση.

Η κομψή μαθηματική λύση για τη διαφυγή από αυτό το δυσεπίλυτο θεωρητικό αδιέξοδο βρίσκεται κρυμμένη στη διαδικασία της αυστηρής επιλογής αποτελεσμάτων. Το εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο της αρνητικής ροής του χρόνου δεν εμφανίζεται ως γενικός κανόνας σε ολόκληρο το υπό εξέταση σύστημα, αλλά παρατηρείται αποκλειστικά σε ένα ελάχιστο κλάσμα πιθανών κβαντικών αποτελεσμάτων, τα οποία διαχωρίζονται χειρουργικά από το τεράστιο σύνολο των ενδεχομένων. Αναλύοντας το θεωρητικό πείραμα στην ολότητα του, η εντροπία του χώρου εξακολουθεί να ακολουθεί τον απαράβατο κανόνα της θερμοδυναμικής αυξάνοντας σταθερά την τιμή της, επιτρέποντας στο σύστημα να εμφανίσει απειροελάχιστα ίχνη χρονικής αντιστροφής σε τοπικό επίπεδο δίχως να καταρρίπτει τους θεμελιώδεις νόμους της μακροσκοπικής φυσικής.

Με τη ματιά του Techgear

Η θεμελιώδης θεωρητική μελέτη που παρουσίασαν οι ερευνητές δεν γράφτηκε προφανώς με σκοπό να παραδώσει στην ανθρωπότητα τα σχέδια για μια λειτουργική μηχανή του χρόνου, αλλά φιλοδοξεί να ρίξει φως στο τεράστιο αίνιγμα του βέλους του χρόνου και να απαντήσει πειστικά στο απόλυτο ερώτημα της αυστηρής κατευθυντικότητας που κυριαρχεί στον κόσμο μας. Αν και οι περισσότερες εξισώσεις της φυσικής διατηρούν την απόλυτη συμμετρία τους και λειτουργούν εξίσου καλά είτε η μεταβλητή του χρόνου κινείται προς το μέλλον είτε προς το παρελθόν, ο μακροσκοπικός κόσμος διέπεται από μη αναστρέψιμες διαδικασίες.

Ο ακριβής μαθηματικός εντοπισμός του οριακού σημείου όπου η κβαντική χρονική αναστρεψιμότητα καταρρέει (σταματώντας στο 1 φεμτοδευτερόλεπτο) προσφέρει στους φυσικούς ανεκτίμητα νέα δεδομένα για τον μηχανισμό με τον οποίο το περιβάλλον αναγκάζει τα σωματίδια να ευθυγραμμιστούν με τη γραμμική ροή. Ουσιαστικά, το βέλος του χρόνου ξεκινά να διαγράφει την αναπόδραστη πορεία του ακριβώς εκείνη τη χρονική στιγμή που η εύθραυστη κβαντική συνοχή καταστρέφεται ολοσχερώς. 

Η βαθύτερη κατανόηση αυτού του μηχανισμού αποσυνοχής (decoherence) αποτελεί ταυτόχρονα το «κλειδί» για την εξέλιξη των σύγχρονων κβαντικών υπολογιστών, δεδομένου ότι το μεγαλύτερο τεχνικό εμπόδιο στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων τους παραμένει μέχρι και σήμερα η εμφανής αδυναμία των μηχανικών να διατηρήσουν ανέπαφες τις κβαντικές πληροφορίες απέναντι στις ελάχιστες παρεμβολές του εξωτερικού περιβάλλοντος.

*Η κεντρική εικόνα αποτελεί δημιουργία AI εργαλείου για το Techgear.gr