Du har sandsynligvis hørt om Schrödingers kat, den uheldige kattedyr i en kasse, der samtidig er levende og død, indtil kassen åbnes for at afsløre dens faktiske tilstand. Nå, ombrydes nu omkring Schrödingers tid, en situation, hvor en begivenhed samtidig kan være årsagen og virkningen af en anden begivenhed.
Et sådant scenarie kan være uundgåeligt i enhver teori om kvantetyngdekraft, et stadig grumset fysikområde, der søger at kombinere Albert Einsteins teori om generel relativitet med kvantemekanikens arbejde. I en ny artikel opretter forskere en mashup af de to ved at forestille sig rumskibe nær en enorm planet, hvis masse bremser tiden. De konkluderer, at stjerneskibene kunne befinde sig i en tilstand, hvor årsagssammenhæng er vendt: En begivenhed kan ende med at forårsage en anden begivenhed, der skete før den.
"Man kan udtænke denne form for scenarie, hvor temporær orden eller årsag og virkning er i superposition af at blive vendt eller ikke vendt," sagde studieforfatter Igor Pikovski, fysiker ved Center for Quantum Science and Engineering ved Stevens Institute of Technology i New Jersey. "Dette er noget, vi forventer, bør finde sted, når vi har en fuld teori om kvantetyngdekraft."
Kvantetid
Den berømte Schrödingers kattetankeeksperiment beder en seer om at forestille sig en kasse, der indeholder en kat og en radioaktiv partikel, der, når den først er henfaldet, dræber den uheldige katte. Efter princippet om kvantesuperposition er kattens overlevelse eller død lige sandsynligt, indtil den måles - så indtil kassen er åbnet, er katten samtidig levende og død. I kvantemekanik betyder superposition, at en partikel kan eksistere i flere tilstande på samme tid, ligesom Schrödingers kat.
Det nye tankeeksperiment, der blev offentliggjort 21. august i tidsskriftet Nature Communications, kombinerer princippet om kvantesuperposition med Einsteins teori om generel relativitet. Generel relativitet siger, at massen af et gigantisk objekt kan bremse tiden. Dette er veletableret som sandt og målbart, sagde Pikovski; en astronaut, der kredser om Jorden, vil opleve tiden bare en smidge hurtigere end hans eller hendes tvilling tilbage på planeten. (Dette er også grunden til at falde i et sort hul ville være en meget gradvis oplevelse.)
Således, hvis et futuristisk rumfartøj var i nærheden af en massiv planet, ville dens besætning opleve tiden som lidt langsommere end folk i et andet rumfartøj, der var stationeret længere væk. Kast nu en lille kvantemekanik, og du kan forestille dig en situation, hvor planeten er superpositioneret samtidig tæt på og langt væk fra de to rumfartøjer.
Tiden bliver underlig
I dette superpositionerede scenarie med to skibe, der oplever tid på forskellige tidslinjer, kan årsag og virkning blive vild. For eksempel siger, at skibene bliver bedt om at udføre en træningsopgave, hvor de skyder mod hinanden og undgår hinandens ild, idet de ved godt, hvor lang tid missilerne vil starte og aflytte deres positioner. Hvis der ikke er nogen massiv planet i nærheden med tidens strømme, er dette en simpel øvelse. På den anden side, hvis den massive planet var til stede, og skibets kaptajn ikke tager tidens aftagning i betragtning, kunne besætningen undvige for sent og blive ødelagt.
Med planeten i superposition, samtidig nær og fjern, ville det være umuligt at vide, om skibene ville undvige for sent og ødelægge hinanden, eller om de ville flytte til side og overleve. Hvad mere er, årsag og virkning kan vendes, sagde Pikovski. Forestil dig to begivenheder, A og B, der er årsagssammenhængende.
"A og B kan påvirke hinanden, men i det ene tilfælde er A før B, mens i det andet tilfælde er B før A" i en superpositionstilstand, sagde Pikovski. Det betyder, at både A og B samtidig er årsagen og virkningen af hinanden. Heldigvis for de sandsynligvis forvirrede besætninger i disse imaginære rumfartøjer, sagde Pikovski, ville de have en matematisk måde at analysere hinandens transmissioner for at bekræfte, at de var i en superpositioneret tilstand.
Det er klart, i det virkelige liv bevæger planeter sig ikke ude i galaksen. Men tankeeksperimentet kunne have praktiske konsekvenser for kvanteberegning, selv uden at udarbejde en hel teori om kvantetyngdekraft, sagde Pikovski. Ved at bruge superpositioner i beregninger kunne et kvantecomputersystem samtidig evaluere en proces som en årsag og som en virkning.
"Kvantecomputere kan muligvis bruge dette til en mere effektiv beregning," sagde han.
