Kvantinis eksperimentas rodo, kaip laikas randasi iš susietumo

Kai XX amžiaus pirmoje pusėje naujos kvantinės mechanikos idėjos mokslo pasaulyje kaip gaisras, vienas iš pirmųjų dalykų, kurį atliko fizikai, tai pritaikyti jas gravitacijai ir bendrajam reliatyvumui. Rezultatai nebuvo gražūs.

Iš karto tapo aišku, kad šios moderniosios fizikos sritys visai nesuderinamos. Fizikams bandant jas apjungti, lygtyse išlįsdavo begalybės, tad rezultatai buvo beprasmiški.

Tačiau septintojo dešimtmečio viduryje įvyko proveržis. Fizikas Johnas Wheeleris ir Bryce'as DeWittas sėkmingai sujungė anksčiau nesuderinamas idėjas į lygtį, kuri nuo to laiko vadinama Wheeler-DeWitt lygtimi. Ji labai svarbi, nes išvengia bėdas keliančių begalybių — didžiulis progresas.

Bet fizikai kaip mat suvokė, kad Wheeler-DeWitt lygtis, išspręsdama vieną svarbią problemą, sukūrė kitą – šioje lygtyje nėra vietos laikui. Pagal ją, visatoje nieko niekada nevyksta, – o tokia prognozė aiškiai neatitinka stebėjimų.

Ši kliūtis, kurią fizikai vadina „laiko problema“, tapo rakštimi minkštoje vietoje moderniai fizikai, kuri, sukandusi dantis, nesėkmingai bandė ją ignoruoti.

Tada, 1983 metais, fizikos teoretikai – Donas Page'as ir Williamas Woottersas sumąstė naujovišką sprendimą, paremtą kvantiniu susietumu. Tai yra viena iš egzotiškų kvantinės mechanikos įdomybių, kai susietų kvantinių dalelių savybės priklauso viena nuo kitos, net jeigu jos fiziškai yra toli viena nuo kitos.

Bet rezultatai priklauso nuo to, kaip atliekamas stebėjimas. Galima tai daryti, lyginant susietų dalelių pokyčius su išoriniu, visiškai nuo visatos nepriklausomu laikrodžiu. Tai lyg „dieviškasis stebėtojas“ už visatos ribų matuotų dalelių kaitą išoriniu laikrodžiu.

Page'as ir Woottersas parodė, kad šiuo atveju dalelė atrodytų visiškai nekintamai — pagal šį scenarijų laikas neegzistuoja.

Bet yra ir kitas būdas, kurio rezultatas kitoks. Tai yra, stebėtojas visatoje lygina dalelių pokyčius su likusia visata. Tokiu atveju, vidinis stebėtojas pokyčius matytų ir šis susietų dalelių kitimo lyginimas su viskuo kitu yra svarbus laiko matas.

Tai yra elegantiška ir galinga idėja. Pagal ją, laikas yra emergentinis reiškinys, atsirandantis dėl susietumo prigimties. Ir jis egzistuoja tik stebėtojams, esantiems visatos viduje. Bet koks „dieviškasis stebėtojas“ už visatos ribų regi statišką, nekintančią visatą, tokią, kokią ir numato Wheeler-DeWitt lygtys.

Žinoma, be eksperimentinio patvirtinimo, Page'o ir Wootterso idėjos yra ne daugiau, nei filosofinės įdomybės. O kadangi stebėtojo už visatos ribų turėti neįmanoma, atrodė, kad šansų šią idėją kada nors patikrinti yra, švelniai tariant, mažai.

Lig šiol [2013]. Ekaterina Moreva iš Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) Turine, Italijoje, ir keli kolegos atliko pirmąjį eksperimentinį Page'o ir Wootterso idėjų patikrinimą. Ir jie iš patvirtina, kad laikas iš tiesų yra emergentinis reiškinys „vidiniams“ stebėtojams, nepasireiškiantis išoriniams.

Eksperimente buvo sukurta žaislinė visata, kurioje buvo pora susietų fotonų ir stebėtojas, galintis matuoti jų būseną vienu iš dviejų būdų. Pirmuoju, stebėtojas matuoja sistemos raidą, susisiedamas su ja. Antruoju, „dieviškasis stebėtojas“ matuoja raidą pagal išorinį laikrodį, visiškai nepriklausomą nuo žaislinės visatos.

Antruoju atveju, fotonai vėlgi sklinda per jų poliarizaciją keičiančias dvejopos refrakcijos plokšteles. Tačiau dabar stebėtojas matuoja tik globalias abiejų fotonų savybes, lygindamas jas su nepriklausomu laikrodžiu.

Stebėtojas negali aptikti jokių skirtumų, nesusisiedamas su kuriuo nors fotonu. O jei nėra skirtumų, sistema atrodo statiška. Kitaip tariant, neatsiranda laikas.

„Nors itin paprastas, mūsų modelis parodo dvi, atrodytų, vienas kitam prieštaraujančias, Page-Wootters mechanizmo savybes,” sako Moreva su kolegomis.

Tai išties įspūdingas eksperimentas. Emergentiškumas yra populiari mokslo idėja – fizikus sužavėjo idėja, kad gravitacija yra atsirandantis fenomenas. Tad, ne taip jau sunku sumąstyti, kad panašiai gali rastis ir laikas.

Žinoma, atsirandančiai gravitacijai trūksta eksperimentinio jos praktinio veikimo pademonstravimo. Būtent todėl Moreva ir kolegų darbas toks svarbus. Pirmą kartą tokiai abstrakčiai ir egzotiškai idėjai suteikiamas tvirtas eksperimentinis pagrindas.

O ko gero reikšmingiausia viso šito implikacija yra, kad kvantinė mechanika ir bendrasis reliatyvumas nėra tokie jau nesuderinami. Žvelgiant per susietumo prizmę, garsiosios „laiko problemos“ tiesiog nelieka.

Kitas žingsnis bus šios idėjos praplėtimas į makroskopinį mastelį. Viena yra parodyti kai laikas randasi fotonams, o visai kas kita, kaip jis randasi didesniems dalykams, tokiems, kaip žmonės ir traukinių grafikai.

Ir tai yra kitas iššūkis.

medium.com

Ref: arxiv.org/abs/1310.4691: Time From Quantum Entanglement: An Experimental Illustration

* Emergentiškumas – sistemos savybė, nebūdinga atskiriems jos elementams.

** Birefrakcija (angl. birefringence) – šviesos spindulio išskaidymas anizotropinėje aplinkoje į du spindulius. Jei šviesos spindulys krenta statmenai į kristalo paviršių, tai jis čia pasidalina į du spindulius. Pirmasis toliau sklinda tiesiai ir vadinamas įprastiniu (o — ordinary), antrasis nukrypsta į šoną ir vadinamas neįprastu (e — extraordinary). Šį reiškinį 1669 metais islandiškojo špato kristale pirmasis užfiksavo danų mokslininkas Rasmus Bartholin.