Mokslo ir technologijų pasaulis

Laiko strėlę mes vertiname kaip savaime suprantama dalyką. Normalu yra manyti, kad laikas juda tik viena kryptimi ir niekada neapsigręžia. Bet kai prie šios strėlės nagus prikiša fizikai, nutinka keisti dalykai: pasirodo, laiko strėlė lygiai taip pat sklandžiai gali skrieti ir priešinga kryptimi. Bet ar tai reiškia, kad ne už kalnų ir laiko mašinos sukūrimas?

Neseniai atlikto eksperimento rezultatai parodė, kiek tiksliai laisvės galime turėti bandant atskirti praeitį nuo ateities – bent jau kvantiniame lygmenyje. Ir nors dabartiniai mokslininkų rezultatai mums nesuteikia vilties sugrįžti į tarpukario Lietuvos laikus, jie bent jau gali padėti paaiškinti, kodėl tai nėra įmanoma, rašo „Science Alert“.

JAV ir Rusijos mokslininkai bendromis jėgomis atrado būdą sulaužyti (ar bent jau perlenkti) vieną fundamentaliausių su energija susijusių fizikos dėsnių.

Antrasis termodinamikos dėsnis nėra kokia nors griežta taisyklė – tai yra daugiau Visatos judėjimo krypties rodyklė.

Šis dėsnis supaprastintu pavidalu sako, kad bėgant laikui karšti dalykai atvėsta, nes jų energija iš karščiausio taško pasklinda į aplinką, į vėsesnius taškus.

Šis principas paaiškina, kodėl kava ilgainiui atvėsta, jeigu stovi puodelyje kambaryje, kodėl kiaušinį suplakti lengviau nei iš plakto kiaušinio sulipdyti sveiką kiaušinį. Ir kodėl niekam niekada nebus leista patentuoti amžinojo variklio.

Tas pats dėsnis yra daugiau mažiau tinkamas paaiškinti ir tai, kodėl mes gebame prisiminti, ką valgėme vakarienei vakar, bet negalime prisiminti, ką valgysime per šių metų kūčių vakarienę. „Šis dėsnis yra glaudžiai susijęs su laiko strėlės judėjimo sąvoka, numatančia vieną laiko kryptį – tik iš praeities ir tik į ateitį“, – sakė Maskvos fizikos ir technologijų instituto kvantinės fizikos ekspertas Gordejus Lesovikas.

Bemaž kiekvieną kitą fizikos dėsnį galima apgręžti ir jis vis vien išlaiko prasmę. Pavyzdžiui, jeigu sulėtintai nufilmuotumėte kamuolių susidūrimą biliardo žaidime, tą įrašą galėtumėte peržiūrinėti ir viena, ir kita kryptimi – jis vis vien neprieštarautų fizikai.

Bet štai jeigu įrašas būtų peržiūrimas pagreitintai – nuo kamuolių buvimo kišenėje iki stalo viduryje sudaryto tvarkingo trikampio – jau suprastume, kad kažkas ne taip. Maždaug tokia yra antrojo termodinamikos dėsnio esmė.

„Makro“ lygmenyje – kalbant apie kiaušinių plakimą ar biliardo rutulių judėjimo kryptis – didelių termodinamikos dėsnių permainų tikėtis nereikėtų. Tačiau žvelgiant į labai, labai mažus realybės fragmentus (konkrečiai šio mokslinio tyrimo atveju – pavienius elektronus) atsiranda „skylių“. Elektronus būtų sunku palyginti su biliardo rutuliais. Jie labiau panašūs į informaciją, kuri užima vietą erdvėje. Jų savybes apibrėžia tai, ką vadiname Schrodingerio lygtimi, kuri elektrono būsenas apibrėžia tikimybių pavidalu.

Tą kiek sunku įsivaizduoti, todėl vėl pasitelkime biliardo pavyzdį – šįkart patalpoje, kur išjungtos visos šviesos. Pradėkime nuo informacijos – rutulio – kuris yra jūsų rankoje ir kurį paleidžiate ridentis per stalą.

Schrodingerio lygtis nurodo, kad rutulys yra kažkur ant stalo ir juda tam tikru greičiu. Kalbant kvantiniais terminais – rutulys yra visur, gali judėti skirtingais greičiais, tik tikimybė, kad jis yra tam tikrose vietose yra didesnė, nei kad jis yra kitose.

Galite padėti ranką ant stalo ir pagriebti kamuolį, kad nustatytumėte tikslią jo buvimo vietą, bet tada prarandate gebėjimą nustatyti, kaip greitai kamuolys judėjo. Arba galite kyštelėti piršta taip, kad jis vos paliestų pralekiantį kamuolį ir sužinotumėte jo judėjimo greitį, bet tada niekas negalėtų pasakyti, kur tas kamuolys nulėkė.

Bet yra viena gudrybė: praėjus akimirkai nuo to, kai paleidote rutulį judėti stalo paviršiumi, galite būti praktiškai tikri, kad kamuolys yra prie pat jūsų rankos ir juda dideliu greičiu. Tam tikra prasme Schrodingerio lygtis tą patį prognozuoja ir kvantinėms dalelėms. Bėgant laikui dalelės vietos ir greičio galimybių kiekis didėja.

„Bet Schrodingerio lygtį galima apgręžti. Matematiškai tai reiškia, kad pritaikius tam tikrą transformaciją, vadinamą kompleksine konjugacija, lygtis nusakys „išteptą“ elektroną taip, tarsi jis lokalizuotųsi mažame erdvės regione tame pačiame laiko periode“, – sakė Argono nacionalinės laboratorijos medžiagotyrininkas Valerijos Vinokuras.

Galima būtų tai lyginti su biliardo rutuliu, kuris jau yra ne pasklidęs begalybėje galimų pozicijų stalo paviršiuje, o sugrįžta į pradinę poziciją – ties žmogaus ranka.

Teoriškai priežasčių, dėl ko tai neturėtų nutikti savaime, nėra. Bet tam, kad tą pamatytumėte, reikėtų kiekvieną sekundę žiūrėti į 10 mlrd. biliardo stalų vienu metu – ir per visą Visatos gyvavimo laiką vieną kartą tokį įvyki pastebėtumėte.

Tačiau mokslininkai tiek laiko eksperimentui vykdyti neturėjo: finansavimas per mažas, kad eksperimentuotų iki Visatos pabaigos. Todėl vietoj savo biliardo kamuoliuko mokslininkai panaudojo kvantinio kompiuterio dalelių nenustatytas būsenas ir, po keleto gudrių manipuliacijų, kompiuterį pavertė savo „laiko mašina“.

Kiekviena iš kvantinės dalelės būsenų (kubitai) buvo išdėliotos į paprastą seką, kuri atitiko kamuoliuką, vis dar laikomą rankoje. Kai kvantinis kompiuteris pradėjo savo darbą, kvantinės būsenos išsisklaidė į gausybę įvairiausių tikimybių. Bet, pakoregavus tam tikras sąlygas kompiuterio sąrangoje, tikimybių gausa buvo apribota tai, kad mokslininkai iš esmės sąmoningai apgręžė Schrodingerio lygtį.

Norėdami patikrinti savo „laiko mašinos“ veikimą, mokslininkai vėl stebėjo, kaip hipotetiniai biliardo kamuoliai susirikiuoja į trikampį stalo viduryje: maždaug 85 procentai visų bandymų baigėsi tuo, kad dviejų kubitų konfigūracijoje būtent taip ir nutikdavo.

Vertinant praktiškai, algoritmai, kuriuos mokslininkai panaudojo taip manipuliuodami Schrodingerio lygtimi, kad ji apsigręžtų, galėtų būti naudingi didinant kvantinių kompiuterių tikslumą.

Beje, tai netgi ne pirmas kartas, kai antrasis termodinamikos dėsnis buvo apgaunamas. Prieš porą metų tie patys mokslininkai kvantiškai susiejo kelias daleles ir sugebėjo jas kaitinti bei aušinti tokiu būdu, kad jos iš esmės elgėsi kaip amžinasis variklis.

Kvantinės fizikos ribų paieškos gali padėti mums ne tik pasigaminti patikimesnių kvantinių kompiuterių, bet ir suprasti, dėl ko Visata veikia taip, kaip ji veikia.

Mokslininkų tyrimą publikavo žurnalas „Scientific Reports“.