Στον «νανόκοσμο» των κβάντων, ο χρόνος είναι συμμετρικός;

Ο χρόνος κυλάει πάντα μπροστά. Το ξέρουμε αυτό αρχαιόθεν, από τότε που οι άνθρωποι μιλούσαν για το «βέλος του χρόνου» που ταξιδεύει πάντα προς το μέλλον. Είναι, δηλαδή, ένα άνυσμα «μη συμμετρικό», που δεν μας επιτρέπει να γυρίσουμε πίσω και να αλλάξουμε τα λάθη του παρελθόντος. 

Αλλά τι θα συνέβαινε αν αποκαλυπτόταν πως αυτά ισχύουν μόνο για τον «μεγάκοσμο» της ύλης που αντιλαμβανόμαστε εμείς, ενώ στον «νανόκοσμο» των κβάντων ο χρόνος είναι συμμετρικός; 

Διότι αυτό ακριβώς ισχυρίστηκε στο Physical Review Letters της 13ης Φεβρουαρίου 2015 ένας φυσικός του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις των ΗΠΑ - και μάλιστα με πειραματικές αποδείξεις.

Εκείνο που όλοι έχουμε ακούσει για τον μυστηριώδη κόσμο των κβάντων είναι ότι μπορούμε μόνο να εικάσουμε την κατάστασή τους καθώς κάθε απόπειρα μέτρησής της τη μεταβάλλει: η ίδια η πράξη της μέτρησης αναγκάζει το σωματίδιο να καταρρεύσει σε μια οριστική κατάσταση - ποιος δεν έχει ακούσει για τη νεκροζώντανη γάτα του Σρέντινγκερ; Είναι σαν να έχει ο Σέρλοκ Χολμς εμπρός του το θύμα ενός εγκλήματος αλλά να μην μπορεί να το αγγίξει διότι το άγγιγμά του μπορεί να το μεταβάλει από ζωντανό σε νεκρό και τούμπαλιν. Αρα είναι μάλλον απίθανο να εξιχνιάσει το έγκλημα και τον δράστη του.

Αυτή η παραδοξότητα δεν είναι πλέον απόλυτα αληθής: από τη δεκαετία του 1980 ως σήμερα οι επιστήμονες έχουν σκαρφιστεί διάφορες διατάξεις που επιτρέπουν τη διάγνωση της κατάστασης των κβάντων χωρίς να την «ταράξουν». Για παράδειγμα, η διάταξη που χρησιμοποίησε στο πείραμά του ο εν λόγω φυσικός του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λιούις, ο Κέιτερ Μαρτς (Kater Murch), είναι ένα «τεχνητό άτομο που μπορεί να ακτινογραφηθεί με μικροκύματα». 

Στην πράξη, είναι ένα κύκλωμα που σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας (ψυχόμενο σχεδόν στο απόλυτο μηδέν) εμφανίζει «κβαντισμένα ενεργειακά πεδία», όπως ένα άτομο. Οι δύο πόλοι της διάταξης αντιστοιχούν ο ένας στο κατώτερο ενεργειακό πεδίο (κατάσταση γείωσης, όπου τα ηλεκτρόνια σφιχταγκαλιάζουν τον πυρήνα ενός ατόμου) και ο άλλος σε ένα πεδίο διέγερσης (όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται χαλαρά, σε απόσταση από τον πυρήνα). Ανάμεσα στις δύο αυτές ενεργειακές καταστάσεις υπάρχουν πάμπολλες ενδιάμεσες, οι λεγόμενες «υπερθέσεις» (superpositions).

Αν βάλεις αυτή τη διάταξη σε ένα κουτί και αφήσεις να διεισδύσει εντός του ένα φωτόνιο, η ενέργεια του φωτονίου θα συντονιστεί με κάποια από τα ενεργειακά πεδία των «φυλακισμένων» και θα τα διαταράξει. Αν όμως ρίξεις φωτόνιο με συχνότητα μικροκύματος, όπως κάνει ο Μαρτς, τότε το φωτόνιο διέρχεται από τη διάταξη χωρίς να συντονιστεί και εξέρχεται χωρίς να απορροφηθεί από τα κβάντα. Μετρώντας στην έξοδο την κυματοσυνάρτησή του, παίρνει κανείς την «ακτινογραφία» των ενεργειακών καταστάσεων που συνάντησε ως «αλλαγές φάσης» (μετατοπίσεις πλευρών και ακμών της κυματοσυνάρτησης του φωτονίου).

Τρελές ανακαλύψεις: στον κόσμο των κβάντων ο χρόνος είναι συμμετρικός και πιθανόν να συμβεί αυτό και στον δικό μας κόσμο!

Ο πιο απλός τρόπος για να κατανοήσει κανείς την ευαισθησία των κβάντων είναι να τα σκεφθεί σαν νόμισμα που στροβιλίζεται συνεχώς στον αέρα: έχει όλη την ώρα και «κορόνα» και «γράμματα», αλλά η μόνη στιγμή που «κάθεται» σε ένα από τα δύο είναι όταν το σταματήσεις (το μετρήσεις). Και βέβαια η πιθανότητα «να έλθει κορόνα ή γράμματα» είναι 50-50.

Ο Μαρτς και η ερευνητική ομάδα του έπαιξαν ένα παιχνίδι πρόβλεψης κρατώντας κρυφή την εκάστοτε «ακτινογραφία» που έβγαζε το όποιο μικροκυματικό φωτόνιο έριχναν στο κουτί. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Born έβρισκαν κάθε φορά την ενεργειακή υπέρθεση που θα «ακτινογραφούνταν» με πιθανότητα πρόβλεψης ακριβώς 50-50. 

Αλλά τότε ο Μαρτς είχε την ιδέα να αντιστρέψει τις εξισώσεις πιθανολογώντας το παρελθόν. «Μπορείς να υπολογίσεις προς τα πίσω» εξήγησε «αν χρησιμοποιήσεις κάτι που ονομάζεται μήτρα αποτελέσματος (effect matrix). Απλά παίρνεις όλες τις εξισώσεις και τις αναποδογυρίζεις. Εξακολουθούν να λειτουργούν και σου επιτρέπουν να ακολουθήσεις την τροχιά του φωτονίου προς τα πίσω».

Το συγκλονιστικό που προέκυψε είναι ότι αυτή η «εκ των υστέρων πρόβλεψη» (retrodiction) ήταν κατά 90% ακριβής. Δηλαδή, όταν τελικά διάβαζαν την «ακτινογραφία» της μέτρησης, αυτή ταυτιζόταν με την «εκ των υστέρων πρόβλεψη» εννέα στις δέκα φορές. 

Αλλά το ακόμη πιο συγκλονιστικό ήταν το επόμενο συμπέρασμα: στον κβαντικό κόσμο ο χρόνος τρέχει τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω. Η μετρούμενη κβαντική κατάσταση εμπεριέχει πληροφορίες τόσο από το παρελθόν, όσο και από το μέλλον της, πράγμα που αποδεικνύει ότι σε αυτόν τον «νανόκοσμο» των κβάντων, ο χρόνος είναι συμμετρικός και το «βέλος του χρόνου» δικέφαλο.

Αν δεχθούμε ότι αυτά τα πειραματικά δεδομένα ισχύουν πέραν πάσης αμφιβολίας, ορθώνονται τουλάχιστον τρία νέα μεγάλα ερωτήματα: 

κατά πρώτον, ποια είναι πλέον η πραγματική σχέση αιτίου - αιτιατού, κατά δεύτερον γιατί η «συμμετρία του χρόνου» εκδηλώνεται μόνο στις κβαντικές διαστάσεις και, κατά τρίτον, υπάρχουν προϋποθέσεις υπό τις οποίες το φαινόμενο θα μπορούσε να κλιμακωθεί, ώστε να ισχύσει και στον δικό μας «μεγάκοσμο»;

«Δεν είναι σαφές το γιατί στον πραγματικό κόσμο - τον κόσμο που αποτελείται από πολλά σωματίδια - ο χρόνος πηγαίνει μόνο προς τα εμπρός και η εντροπία πάντοτε αυξάνεται», δήλωσε ο Μαρτς, «αλλά πολλοί ερευνητές καταγίνονται με αυτό το πρόβλημα και περιμένω ότι σε λίγα χρόνια θα λυθεί». 

Προκειμένου να βρεθεί απάντηση στη σχέση αίτιο - αιτιατό, ο ίδιος σκέφτεται να δοκιμάσει ένα νέο πείραμα όπου η κβαντική διάταξη θα επαναλαμβάνεται με βρόγχους ανατροφοδότησης (κρίκοι αλυσίδας αιτίου - αιτιατού). 

Τρέχοντας το πείραμα μέσω των βρόγχων προς τα μπρος και προς τα πίσω ταυτόχρονα ελπίζει ότι θα βρει την απάντηση. Πότε; «Χρειάζεσαι 20-30 λεπτά της ώρας για να τρέξεις ένα τέτοιο πείραμα», λέει χαρακτηριστικά ο Μαρτς, «αρκετές εβδομάδες για την επεξεργασία όσων προκύπτουν και έναν χρόνο για να ξύνεις το κεφάλι σου ζυγιάζοντας, αν είσαι τρελός ή όχι».

Ως προς το δεύτερο και το τρίτο ερώτημα, τα πράγματα δείχνουν να έχουν μια απλή απάντηση: η συμμετρία του χρόνου παρατηρήθηκε μόνο στα κβάντα, διότι μόνο σε αυτόν τον κυματικό νανόκοσμο, έχουμε την αστάθεια των ενεργειακών υπερθέσεων. 

Τελεία και παύλα, λοιπόν, ο χρόνος για μας, δεν γυρίζει πίσω. Σωστά;

«Οχι», απάντησαν προ δύο ετών, τέσσερις ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βιέννης, με δημοσίευσή τους στο New Journal of Physics. 

Συγκεκριμένα οι Michele Sclafani, Thomas Juffmann, Christian Knobloch και Markus Arndt, κατόρθωσαν να επιτύχουν «κβαντική συνεκτική διάδοση» φθαλοκυανίνης (phthalocyanine) μέσα από τους σκελετούς χλωροπλαστικών διατόμων (του θαλασσινού φύκους Amphipleura pellucida). 

Δηλαδή, πήραν κβαντική συμπεριφορά από... μοριακές δομές! Μήπως, λοιπόν, η κλιμάκωση είναι εφικτή;

Επειδή οι εκπλήξεις μάλλον τώρα μόλις άρχισαν, έχετε τον νου σας στα «προσεχώς»: ένας εντελώς αλλιώτικος φυσικός κόσμος μπορεί να μας προκύψει στον αιώνα τούτο. 

Στο μεταξύ, μην ακούσω κανέναν να λέει: «ποιος ο λόγος να ζαλίζουμε τα παιδιά στο λύκειο με κβαντομηχανικές θεωρίες;».

Πηγή

πηγή-planitikos.gr

Διαβάστε περισσότερα... »

Τι είναι «Το Βέλος του Χρόνου»; Επιστήμονες εξηγούν, γιατί ο χρόνος δε γυρίζει πίσω...

Ο χρόνος δε γυρίζει πίσω. Για ποιο λόγο όμως συμβαίνει αυτό; Ποιος μηχανισμός οδηγεί το χρόνο μόνο μπροστά και όχι προς τα πίσω;

Σε μια πρόσφατη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση Physical Review Letters, μια ομάδα θεωρητικών φυσικών διερευνά εκ νέου «Το Βέλος του Χρόνου» -μια ιδέα/έννοια που περιγράφει την αδυσώπητη πορεία του χρόνου προς τα εμπρός- και επισημαίνει ένα διαφορετικό τρόπο του πώς ο ίδιος ο χρόνος εκδηλώνεται επάνω σε καθολικές κλίμακες.

Παραδοσιακά, ο χρόνος που περιγράφεται από την «υπόθεση του παρελθόντος», που προϋποθέτει ότι κάθε δεδομένο σύστημα αρχίζει σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας και στη συνέχεια, λόγω της θερμοδυναμικής η εντροπία του αυξάνεται. 

Με λίγα λόγια: Το παρελθόν είναι χαμηλή εντροπία και το μέλλον είναι υψηλή εντροπία, μια έννοια που είναι γνωστή ως θερμοδυναμική ασυμμετρία του χρόνου.

Στην καθημερινότητά μας μπορούμε να βρούμε πολλά παραδείγματα αυξημένης εντροπίας, όπως για παράδειγμα ένα αέριο που γεμίζει το χώρο ενός δωματίου, ή ένας κύβος πάγου που λιώνει. Σε αυτά τα παραδείγματα, παρατηρεί κανείς μια μη αναστρέψιμη αύξηση στην εντροπία (και κατά συνέπεια διαταραχή).

Αν αυτό εφαρμοστεί σε παγκόσμια κλίματα, τεκμαίρεται ότι η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) «γέννησε» το Σύμπαν σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας, ή καλύτερα σε μια κατάσταση ελάχιστης εντροπίας, αναφέρει δημοσίευμα του Live Science. Στο πέρασμα των αιώνων, όπως επεκτάθηκε και ψύχθηκε το Σύμπαν, αυξήθηκε η εντροπία του συστήματος αυτού σε μεγάλη κλίμακα. 

Ως εκ τούτου, η υπόθεση θέλει το χρόνο άρρηκτα συνδεδεμένο με το βαθμό της εντροπίας, ή διαταραχής, του Σύμπαντος.

Υπάρχουν, ωστόσο, αρκετά προβλήματα με την ιδέα αυτή.

Λίγο μετά το Big Bang, αρκετές γραμμές στοιχείων παρατήρησης δείχνουν προς μια κατάσταση, η οποία ήταν θερμή, ενώ επικρατούσε και ένα εξαιρετικά διαταραγμένο χάος αρχέγονων σωματιδίων. Καθώς το Σύμπαν ωρίμαζε και ψυχόταν, η βαρύτητα ανέλαβε ρόλο και έκανε το Σύμπαν πιο περίπλοκο και διατεταγμένο – από τα σύννεφα αερίου που ψύχονταν, τα αστέρια και οι πλανήτες δημιουργήθηκαν από τη βαρυτική κατάρρευση.

Τελικά –σημειώνει το δημοσίευμα- η οργανική χημεία κατέστη δυνατή, ανοίγοντας το δρόμο για τη δημιουργία της ζωής και των ανθρώπων, οι οποίοι φιλοσόφησαν το θέμα του χρόνου και του χώρου. Σε καθολική κλίμακα επομένως, η «διαταραχή» έχει μειωθεί ουσιαστικά και όχι αυξηθεί, όπως είκαζαν υποθέσεις του παρελθόντος.

Αυτό, ισχυρίζεται ο Flavio Mercati από το ινστιτούτο Perimeter Institute for Theoretical Physics, στο Οντάριο του Καναδά, είναι ένα θέμα γύρω από τη μέτρηση της εντροπίας.

Η εντροπία είναι μια φυσική ποσότητα με διαστάσεις (όπως η ενέργεια και η θερμοκρασία) και επομένως πρέπει να υπάρχει ένα εξωτερικό πλαίσιο αναφοράς, για να μπορεί να μετρηθεί έναντι αυτού. 

«Αυτό μπορεί να γίνει για υποσυστήματα του σύμπαντος, διότι το υπόλοιπο του σύμπαντος θέτει αυτές τις αναφορές γι’ αυτά, αλλά ολόκληρο το σύμπαν δεν έχει, εξ ορισμού, κάτι έξω από αυτό για να καθοριστούν αυτά τα πράγματα», ανέφερε ο ίδιος στο Discovery News.

Αν λοιπόν δεν είναι η εντροπία, τι θα μπορούσε να οδηγεί το χρόνο του σύμπαντος προς τα μπροστά;

Η πολυπλοκότητα, στην πιο βασική της μορφή, είναι μια αδιάστατη ποσότητα, που περιγράφει πόσο πολύπλοκο είναι ένα σύστημα. Έτσι, αν κάποιος κοιτάζει το Σύμπαν μας, η πολυπλοκότητα συνδέεται άμεσα με το χρόνο: καθώς ο χρόνος προχωρά, το Σύμπαν γίνεται ολοένα και πιο δομημένο.

«Το ερώτημα στο οποίο αναζητούμε μια απάντηση στη μελέτη μας είναι το εξής: Τι έθεσε αυτά τα συστήματα σε πολύ χαμηλή κατάσταση εντροπίας σε πρώτη φάση; Η απάντησή μας είναι αυτή: Η βαρύτητα, η τάση της να δημιουργεί τάξη και δομή (περιπλοκότητα) από το χάος», εξήγησε ο Mercati.

Για να δοκιμάσουν την ιδέα αυτή, ο Mercati και οι συνεργάτες του δημιούργησαν βασικά μοντέλα προσομοίωσης σωματιδίων σε ένα σύμπαν σε υπολογιστή. Βρήκαν ότι, ανεξάρτητα από το πώς «έτρεχε» η προσομοίωση, η πολυπλοκότητα του σύμπαντος «πάντα αυξανόταν και ποτέ δε μειωνόταν με το χρόνο».

Από το Big Bang, το Σύμπαν ξεκίνησε σε μια κατάσταση χαμηλότερης πολυπλοκότητας (η γνωστή «καυτή σούπα» διαταραγμένων σωματιδίων και ενέργειας). Στη συνέχεια, καθώς το σύμπαν ψύχθηκε σε μια κατάσταση η μπόρεσε να «αναλάβει ρόλο» η βαρύτητα, συγκεντρώθηκαν αέρια, σχηματίστηκαν τα αστέρια και εξελίχθηκαν οι γαλαξίες. 

Το Σύμπαν έγινε αμείλικτα πιο περίπλοκο και η βαρύτητα είναι η κινητήρια δύναμη αυτής της αύξησης της πολυπλοκότητας.

πηγή-defencenet.gr

Διαβάστε περισσότερα... »