Tiden går i en retning: fremad. Små drenge bliver gamle mænd, men ikke omvendt; tekopper sprækkes, men samles aldrig spontant igen. Denne grusomme og uforanderlige egenskab ved universet, kaldet "tidens pil", er grundlæggende en konsekvens af den anden lov om termodynamik, som dikterer, at systemer altid vil have en tendens til at blive mere uorden med tiden. Men for nylig har forskere fra USA og Rusland bøjet pilen bare lidt - i det mindste for subatomære partikler.
I den nye undersøgelse, der blev offentliggjort tirsdag (12. marts) i tidsskriftet Scientific Reports, manipulerede forskerne tidens pil ved hjælp af en meget lille kvantecomputer lavet af to kvantepartikler, kendt som qubits, der udførte beregninger.
I den subatomære skala, hvor de ulige regler for kvantemekanik holder fast, beskriver fysikere systemernes tilstand gennem en matematisk konstruktion kaldet en bølgefunktion. Denne funktion er et udtryk for alle de mulige tilstande, som systemet kunne være i - også i tilfælde af en partikel, alle de mulige placeringer, det kunne være i - og sandsynligheden for, at systemet er i en af disse tilstande på et givet tidspunkt . Generelt, når tiden går, spredes bølgefunktioner; en partikels mulige placering kan være længere væk, hvis du venter en time, end hvis du venter 5 minutter.
At fortryde spredningen af bølgefunktionen er som at prøve at sætte spildt mælk tilbage i flasken. Men det er præcis, hvad forskerne opnåede i dette nye eksperiment.
"Der er stort set ingen chance for, at dette sker alene," fortalte hovedforsker Valerii Vinokur, fysiker ved Argonne National Laboratory i Illinois, til Live Science. "Det er som det, der siger, hvor hvis du giver en abe en skrivemaskine og meget tid, kan han muligvis skrive Shakespeare." Med andre ord, det er teknisk muligt, men så usandsynligt, at det lige så godt kan være umuligt.
Hvordan fik forskerne det i det væsentlige umulige til at ske? Ved omhyggeligt at kontrollere eksperimentet.
"Du har virkelig brug for en masse kontrol for at få alle de ødelagte stykker af en tekande til at komme sammen igen," fortalte Stephen Bartlett, professor i fysik ved University of Sydney, til Live Science. Bartlett var ikke involveret i undersøgelsen. "Du skal have meget kontrol over systemet for at få det til at gøre det ... og en kvantecomputer er noget, der lader os have en enorm mængde kontrol over et simuleret kvantesystem."
Forskerne brugte en kvantecomputer til at simulere en enkelt partikel, hvor dens bølgefunktion spredte sig over tid som en krusning i en dam. Derefter skrev de en algoritme i kvantecomputeren, der vendte tidsudviklingen for hver eneste komponent i bølgefunktionen, og trækkede i det væsentlige den rippel tilbage i den partikel, der skabte den. De opnåede dette brag uden at øge entropien eller forstyrrelser andre steder i universet og tilsyneladende trodsede tidens pil.
Betyder det, at forskerne lavede en tidsmaskine? Overtrådte de fysiklovene? Svaret er nej til begge disse spørgsmål. Den anden lov om termodynamik siger, at universets rækkefølge skal falde over tid, men ikke at det aldrig kan forblive den samme i meget specielle tilfælde. Og dette eksperiment var lille nok, kort nok og kontrolleret nok til, at universet hverken fik eller mistede energi.
"Det er meget komplekst og kompliceret at sende bølger på en dam tilbage", når de er blevet oprettet, sagde Vinokur, "men vi så, at dette var muligt i kvanteverdenen, i et meget simpelt tilfælde." Med andre ord var det muligt, når de brugte den kontrol, som kvantecomputeren fik dem for at fortryde tidseffekten.
Efter at have kørt programmet gik systemet tilbage til sin oprindelige tilstand 85 procent af tiden. Når en tredje kvbit blev introduceret, lykkedes det imidlertid kun 50 procent af tiden. Forskerne sagde, at systemets kompleksitet sandsynligvis steg for meget med den tredje qubit, hvilket gør det sværere for kvantecomputeren at opretholde kontrol over alle aspekter af systemet. Uden denne kontrol kan entropi ikke holdes i skak, og tidsvendingen er derfor ufuldkommen. Stadig, de sigter mod større systemer og større kvantecomputere til deres næste trin, fortalte Vinokur til Live Science.
"Arbejdet er et pænt bidrag til fysikens fundament," fortalte James Whitfield, en professor i fysik ved Dartmouth College i New Hampshire, som ikke var involveret i studiet, til Live Science. "Det minder os om, at ikke alle anvendelser af kvanteberegning skal være applikationsorienterede for at være interessante."
"Det er netop derfor, vi bygger kvantecomputere," sagde Bartlett. "Dette er en demonstration af, at kvantecomputere kan give os mulighed for at simulere ting, der ikke bør forekomme i den virkelige verden."
