Tudósok egy csoportja visszaforgatta az időt

Átlagemberként sokszor eltöprengünk azon, milyen jó lenne visszatérni a múltba; átélni újra egy kellemes élményt vagy kijavítani valamilyen orbitális hibát, amit korábban elkövettünk. Orosz kutatóknak most sikerült megvalósítania az időutazást, igaz, nem úgy, ahogy azt mi elképzeljük. Mesebeli időgépben továbbra se reménykedjünk.

A Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet (MIPT) munkatársai a bravúrt amerikai és svájci kutatókkal együttműködve érték el. A kísérlet során egy kvantumszámítógép állapotát visszaröpítették a múltba. Azt is kiszámították, hogy az üres csillagközi térben lévő elektron mekkora valószínűséggel térhet vissza egy közelmúltbéli állapotába. Az eredményeket a Scientific Reports tudományos folyóiratban ismertették.

„Tanulmányunk egyike azoknak a kutatásoknak, amelyek a termodinamika második főtételének sérthetőségét taglalják.

E törvény szoros kapcsolatban áll azzal a koncepcióval, hogy az idő csakis egyetlen irányba haladhat: a múltból a jövő felé"

– nyilatkozta a tanulmány vezető szerzője, Gordey Lesovik, a moszkvai intézet kvantumfizikával foglalkozó szakértője – „Mesterségesen sikerült létrehoznunk egy olyan állapotot, aminek fejlődése ellentétes irányba halad a termodinamika időértelmezésével" – tette hozzá.

Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

Mi különbözteti meg a jövőt a múlttól?

A hétköznapi szemlélő számára meglehetősen szokatlan, de a fizika törvényeinek többsége nem tesz különbséget múlt és jövő között. Ennek megértéséhez vegyük két, egymással ütköző, majd egymásról visszapattanó biliárdgolyó példáját. Ha az eseményt felvesszük egy kamerával, majd visszafelé lejátsszuk, akkor a két eseménysor ugyanazzal az egyenlettel leírható. Sőt, a felvételből nem lehetne megmondani, melyik volt az eredeti és melyik a manipulált videó. Mindkettő hitelesnek tűnik. Az egész olyan, mintha a golyók ellentmondanának intuitív időérzékünknek.

Most nézzünk egy másik szcenáriót: a biliárdgolyóval háromszög alakba rendezett golyókat lökünk szét és ezt vesszük videóra. Nem kell ahhoz ismernünk a játék szabályait, hogy kiszúrjuk, melyik felvételt vetítették le helyes és fordított idősorrendben.

Utóbbit a termodinamika második főtételének mindennapi tapasztalatokon alapuló ismerete teszi abszurddá: vagyis egy izolált rendszer statikus marad vagy a rendezettségből a rendezetlenség felé halad.

Forrás: @tsarcyanide/MIPT Press Office

Más fizikai törvények nem akadályozzák azt, hogy a billiárdgolyók maguktól piramissá rendeződjenek, a tea visszaoldódjon a filterbe, vagy a vulkán visszafelé törjön ki. Mégsem következnek be ezek az események, pontosan azért nem, mert ehhez egy külső hatás nélkül is a rendezettség állapotába haladó, elszigetelt rendszerre lenne szükségünk, ami nyíltan szembemegy a termodinamika által kimondottakkal.

Spontán megfordul az idő menete

A MIPT kvantumfizikusai ennek ellenére kíváncsiak voltak arra, hogy egyetlen részecske esetén, legalább a másodperc törtrészére képes-e az idő spontán mód visszafordulni. A gondolatkísérlet keretében nem billiárdgolyókat, hanem üres csillagközi térben lévő magányos elektront vizsgáltak.

Tegyük fel, hogy a megfigyelés kezdetekor az elektron lokalizált, vagyis viszonylag nagy pontossággal meg tudjuk mondani a pozícióját. A kvantummechanika törvényei nem teszik lehetővé, hogy tűpontosan meghatározzuk a helyzetét, de kijelölhetünk egy kisebb régiót, ahol nagyon nagy valószínűséggel tartózkodik"

– mondta Andrey Lebedev, a tanulmány társszerzője.

Az elektron állapotának változását a Schrödinger-egyenlet írja le. Habár az állapotegyenlet nem tesz különbséget múlt és jövő között, az események itt is a kaotikusság felé haladnak, az elektron rövid időn belül egyre nagyobb és nagyobb területen bukkanhat fel (a tér tágulása miatt), a pozícióját körüllengő bizonytalanság növekszik. Ez kísértetiesen hasonlít arra, amit már a nagyobb rendszerek – például a biliárdasztal – állapotánál láttunk: a termodinamika törvényével összhangban nő a rendezetlenség.

Csakhogy a Schrödinger-egyenlet megfordítható"

– hangsúlyozta ki Valerii Vinokur, a kutatás másik társszerzője. Elmondása alapján egy matematikai művelettel úgy módosítható az egyenlet, hogy az ugyanannyi idő alatt ismét kisebb területre korlátozza az elektron előfordulásának valószínűségét, csökkentve ezzel a részecske pozícióját övező bizonytalanságot.

Habár ez a jelenség nem figyelhető meg a természetben, elméletben megtörténhet az univerzumot átszövő kozmikus háttérsugárzás ingadozásainak köszönhetően.

A tudósok azt is kiszámították, hogy a nagy területre „szétfröccsent" elektron állapotában mekkora eséllyel figyelhető meg visszarendeződés (magyarul mekkora eséllyel fordul vissza az idő).

Ha cirka 13,7 milliárd évig minden másodpercben 10 milliárd frissen lokalizált elektront figyelünk egyszerre, akkor mindössze egyetlen egy alkalommal találkozunk olyan esettel, hogy a részecske állapota nem az idő folyásának megfelelően, hanem fordítva fejlődik.

Ráadásul ebben az esetben sem tart sokáig az időutazás, mindössze egy tízmilliárdod másodperccel "fiatalodik" vissza a részecske.

Forrás: Cultura Creative/Cultura/Dan Brownsword/Dan Brownsword

Kísérlet kvantumszámítógéppel

Teória és gyakorlat két különböző dolog, a kutatók nem elégedtek meg a kísérlet elképzelésével, szimulációval is megvalósították az „idő kerekeinek visszaforgatását". Itt nem egy elektroné volt a főszerep, hanem az IBM által fejlesztett kvantumszámítógépé, ami előbb két, majd három elemből, úgynevezett szupravezető kvantumbitekből állt össze.

• Az első lépésben a kvantumbitek rendezett állapotban vannak, amit nulla jelöl. Ez a konfiguráció feleltethető meg a kis területre lokalizálódó elektronnak vagy a háromszögbe állított billiárdgolyóknak.
• Második lépésben az evolúciós program elindításával megkezdik a kvantumszámítógép rendezett állapotának szétzilálását. Az elektron esetében ez volt az a stádium, amikor a részecske lehetséges felbukkanásának területe nőni kezdett, a háromszögbe rendezett biliárdgolyók pedig szétrepültek. A kvantumbitek állapotát egyre komplexebb mintázatban változó nullák és egyesek írják le.
• A harmadik lépésben történik meg az „idő visszafordítása". A kutatók ezúttal egy speciális programmal módosítják a kvantumszámítógép állapotát, úgy, hogy az „visszafelé haladjon az időben", a káoszból a rendezettség irányába. Ez a művelet hasonlít a mikrohullámú háttérsugárzás véletlenszerű fluktuációjára, azzal a különbséggel, hogy itt a beavatkozás akaratlagos. A biliárdgolyók esetében ez úgy nézne ki, hogy belerúgunk az asztalba, aminek hatására azok ismét tökéletes piramisformába kezdenek rendeződni.
• Végül a második lépésben már megismert evolúciós programot ismét újraindítják. Ha a „biliárdasztalba rúgást" siker koronázta, akkor a program nem a rendezetlenség felé löki a kvantumbiteket, hanem visszaállítja eredeti múltbéli rendezett állapotukat, olyan módon, mint amikor a szétfröccsent elektron ismét kis területre lokalizálódik, vagy a golyók visszafelé gurulva megint piramissá állnak össze.

A négylépcsős kísérlet párhuzamba állítható az elektronos és a biliárdos példával. Mindhárom rendszer állapota a rendezettségből a káoszba tart, de egy tökéletesen időzített külső hatás (program, kozmikus háttérsugárzás ingadozása, rúgás) visszafordítja a folyamatot Forrás: @tsarcyanide/MIPT Press Office

A kutatók a két kvantumbites komputerek használatakor 85 százalékos sikerrel fordították vissza az idő folyását. Három kvantumbites számítógépeknél ez az arány – a hibák megnövekedett száma miatt - 50 százalékra csökkent. Fejlettebb kvantumszámítógépek létrehozásával ugyanakkor a problémák kiküszöbölhetővé válnak. És ezt a célt szolgálja a tanulmányban bemutatott időt visszafordító algoritmus is:

pontosabb számításokat végző kvantumszámítógépek tervezhetők a segítségével.

(Eurekalert)