En ny teknik til kvanteberegning kunne buse åbne hele vores model for, hvordan tiden bevæger sig i universet.
Her er hvad der længe syntes at være sandt: Tiden fungerer i en retning. Den anden retning? Ikke så meget.
Det er sandt i livet. (Tirsdag ruller ind onsdag 2018 ind i 2019, ungdom til alderdom.) Og det er sandt i en klassisk computer. Hvad betyder det? Det er meget lettere for lidt software, der kører på din bærbare computer, at forudsige, hvordan et komplekst system vil bevæge sig og udvikle sig i fremtiden, end det er at genskabe sin fortid. En egenskab ved universet, som teoretikere kalder "kausal asymmetri" kræver, at det kræver meget mere information - og meget mere komplekse beregninger - for at bevæge sig i den ene retning gennem tiden, end den gør for at bevæge sig i den anden. (Praktisk set er det lettere at komme frem i tiden.)
Dette har virkelige konsekvenser. Meteorologer kan gøre et rimeligt godt stykke arbejde med at forudsige, om det regner om fem dage, baseret på dagens vejrradardata. Men bede de samme meteorologer om at finde ud af, om det regnede for fem dage siden ved hjælp af dagens radarbilleder? Det er en meget mere udfordrende opgave, der kræver meget mere data og meget større computere.
Informationsteoretikere har i lang tid mistænkt for at kausal asymmetri kan være et grundlæggende træk i universet. Så længe siden i 1927 argumenterede fysikeren Arthur Eddington for, at denne asymmetri er grunden til, at vi kun bevæger os fremad gennem tiden og aldrig bagud. Hvis du forstår universet som en gigantisk computer, der konstant beregner sin vej gennem tiden, er det altid lettere - mindre ressurskrævende - for at ting flyder fremad (årsag, derefter virkning) end bagud (virkning, derefter årsag). Denne idé kaldes "tidens pil."
Men en ny artikel, der blev offentliggjort 18. juli i tidsskriftet Physical Review X, åbner døren til muligheden for, at pilen er en artefakt af beregning i klassisk stil - noget, som vi kun syntes at være tilfældet på grund af vores begrænsede værktøjer.
Et team af forskere fandt, at kausale asymmetri under visse omstændigheder forsvinder inden i kvantecomputere, der beregner på en helt anden måde - I modsætning til klassiske computere, hvor information er gemt i en af to tilstande (1 eller 0), med kvantecomputere, gemmes information i subatomære partikler, der følger nogle bizarre regler, og så kan hver især være i mere end en tilstand på samme tid. Og endnu mere lokkende peger deres papir på vejen mod fremtidig forskning, der kunne vise kausal asymmetri, der overhovedet ikke findes i universet.
Hvordan er det?
Meget ordnede og meget tilfældige systemer er lette at forudsige. (Tænk på en pendul - beordret - eller en sky af gas, der fylder et rum - forstyrret.) I dette papir kiggede forskerne på fysiske systemer, der havde en guldlocks niveau af forstyrrelse og tilfældighed - ikke for lidt og ikke for meget. (Altså noget i retning af et vejrsystem, der udvikler sig.) Disse er meget vanskelige for computere at forstå, sagde undersøgelsesmedforfatter Jayne Thompson, en kompleksitetsteoretiker og fysiker, der studerer kvanteinformation ved National University of Singapore.
Dernæst forsøgte de at finde ud af disse systemers forløb og futures ved hjælp af teoretiske kvantecomputere (ingen fysiske computere involveret). Ikke alene brugte disse modeller af kvantecomputere mindre hukommelse end de klassiske computermodeller, sagde hun, de var i stand til at køre i begge retninger gennem tiden uden at bruge ekstra hukommelse. Med andre ord, kvantemodellerne havde ingen kausal asymmetri.
"Mens det klassisk er, kan det være umuligt for processen at gå i en af retningerne," fortalte Thompson til Live Science, "vores resultater viser, at 'kvantemekanisk', processen kan gå i begge retninger ved hjælp af meget lidt hukommelse."
Og hvis det er sandt inde i en kvantecomputer, er det sandt i universet, sagde hun.
Kvantefysik er studiet af den underlige sandsynlighed for meget små partikler - alle de meget små partikler i universet. Og hvis kvantefysik er sand for alle de stykker, der udgør universet, er det sandt for selve universet, selvom nogle af dets skræmmende effekter ikke altid er indlysende for os. Så hvis en kvantecomputer kan fungere uden kausal asymmetri, så kan universet også gøre det.
At se en række beviser for, hvordan kvantecomputere en dag vil arbejde, er selvfølgelig ikke det samme som at se effekten i den virkelige verden. Men vi er stadig langt væk fra kvantecomputere, der er avancerede nok til at køre den slags modeller, dette papir beskriver, sagde de.
Thompson sagde, denne forskning beviser ikke, at der ikke er nogen kausal asymmetri overalt i universet. Hun og hendes kolleger viste, at der ikke er nogen asymmetri i en håndfuld systemer. Men det er muligt, sagde hun, at der er nogle meget nakne kvantemodeller, hvor nogle årsagsasymmetri kommer frem.
”Jeg er agnostiker på det punkt,” sagde hun.
For nu.
Det næste trin i denne forskning, sagde hun, er at besvare det spørgsmål - at finde ud af, om der er kausal asymmetri i nogen kvantemodeller.
Dette papir viser ikke, at tiden ikke eksisterer, eller at vi en dag kan glide bagud gennem den. Men det ser ud til at vise, at en af de vigtigste byggesten til vores forståelse af tid, årsag og virkning ikke altid fungerer på den måde, som forskere længe har antaget - og måske slet ikke fungerer på den måde. Hvad det betyder for tidens form og for os alle, er stadig noget af et åbent spørgsmål.
Den virkelige praktiske fordel ved dette arbejde, sagde hun, er, at kvantecomputere på vej ned ad vejen let kan køre simuleringer af ting (som vejret) i begge retninger gennem tiden uden alvorlige vanskeligheder. Det ville være en havændring fra den nuværende klassiske verden.
