1 miesiąc temu

Naukowcom udało się odwrócić bieg czasu

Zdjęcie przedstawia cofający się zegar.

Czas płynie w jednym kierunku, co oznacza, że zachodzące spontanicznie procesy nie mogą cofać się w skutkach. Wydaje się niemożliwe, żeby jajko na twardo samo zrobiło się ponownie surowe. Czy aby na pewno?

Zmiana w jedną stronę

Codzienność przyzwyczaiła nas, że czas płynie tylko w jednym kierunku, od teraźniejszości do przyszłości. Jest to rzecz intuicyjna, każdy się starzeje i obserwuje, jak rzeczywistość wokół niego podlega bezpowrotnym zmianom. Rozbita szklanka nie wróci samoistnie do swojej scalonej formy, a usmażone na patelni jajko już zawsze pozostanie ścięte.

Można zadać sobie pytanie, dlaczego akurat tak się dzieje, że czas zawsze zmierza w jedną stronę? W końcu z punktu widzenia cząsteczek mniejszych niż atomy, kwestia ta nie musi być tak oczywista. W mikroświecie (a przecież z niego składa się cały świat, w tym również i my) prawa fizyki są symetryczne względem czasu, co oznacza, że działają tak samo bez względu na to, w którą stronę płynie czas.

Sytuacja ta zmienia się, gdy spojrzymy na szczebel makro, większego od atomów świata całych organizmów i struktur geologicznych. W tej skali kierunek, w którym płynie czas zdaje się nie być już dłużej obojętny. Wyjaśnienia tego zjawiska można doszukać się w Drugiej Zasadzie Termodynamiki, która wprowadza pojęcie entropii — miary rozproszenia energii i stopnia nieuporządkowania układu.

Jej zrozumienie pozwala wyjaśnić, dlaczego czas płynie od teraźniejszości do przyszłości. Zgodnie z termodynamiką, w układach zamkniętych spontanicznie następują samorzutne procesy, skutkujące coraz większym nieuporządkowaniem (robi się “bałagan”).  Ich kierunek wynika z faktu, że entropia nieuchronnie wzrasta wraz z upływem czasu.

Rozbita szklanka nie wróci samoistnie do scalonej formy, bo to wiązałoby się ze zwiększeniem uporządkowania. Gdyby udało się odwrócić sytuację — zmusić układ do spontanicznego skupiania (zamiast rozpraszania) energii i samo porządkowania się — to w pewnym sensie czas popłynąłby wstecz.

Czas na ciepło

Jednym z efektów tego procesu jest przepływ ciepła (czyli energii). W naszym świecie cząsteczki zawsze oddają swoją energię obiektom posiadającym jej mniej, w momencie zetknięcia się z nimi. Przykładowo nagrzany kaloryfer oddaje ciepło do pokoju, nie na odwrót. W ten sposób energia jest rozpraszana, a więc rośnie entropia.

Co więcej, kierunek powyższych procesów wynika z warunków początkowych układu. Zgodnie z naszą wiedzą, Wszechświat w swoim początkowym stadium był bardzo gorący i miał równomiernie rozproszoną energię. W takiej sytuacji entropia osiągała niską wartość, choć z czasem zaczęła się zwiększać. Dzieje się tak aż do dziś.

Można zastanawiać się, czy odwrócenie warunków początkowych wpłynęłoby na kształt panujących praw termodynamiki. Odpowiedź na to pytanie znaleźli naukowcy z Brazylii, którzy w swoich badaniach z powodzeniem odwrócili “strzałkę czasu”. Udało im się zmanipulować układ tak, aby zimniejsze obiekty samoczynnie przenosiły swoje ciepło na cieplejsze.

Rysunek przedstawia dwa układy: po lewej bez stanu splątanego, a po prawej ze stanem splątanym jąder. W układzie po lewej energia ciepła przepływa od gorącego jądra do zimnego, wyrównując obydwa do stanu ciepłego. Po prawej energia ciepła wędruje od jądra zimnego do gorącego, sprawiając, że zimne staje się zimniejsze, a gorące gorętsze.

Ciepło w normalnych warunkach (A) przechodzi jądra cieplejszego do chłodniejszego, aż do wyrównania energii. W układzie ze stanem splątanym jąder (B) przepływa ono w kierunku odwrotnym, wskutek działania korelacji kwantowej. Autor: K. Micadei i in.

Cel ten osiągnęli przy pomocy chloroformu CHCl3 rozpuszczonego w acetonie. Naukowcy uzyskali stan splątania kwantowego znajdujących się w jego cząsteczkach jąder węgla (C) oraz wodoru (H), przy pomocy impulsów radiowych.  W ten sposób stały się one ze sobą skorelowane, co oznacza, że dokonując pomiaru na jednym z nich, badacze dostawali również informacje o drugim. Będące w stanie splątanym cząstki zachowują się bowiem w sposób zależny od siebie, bez względu na odległości, jaka je dzieli.

Jednocześnie, skorelowane ze sobą jądra pozostawały w kontakcie termicznym, dzięki czemu mogło przepływać między nimi ciepło. W normalnych warunkach wymiana energii zachodziła od cieplejszego wodoru do zimniejszego węgla. W stanie splątanym sytuacja obróciła się o 180 stopni. Jądra wodoru stawały się coraz cieplejsze, a węgla coraz chłodniejsze.

Przyszłość i przeszłość

Dzięki splątaniu kwantowemu naukowcy dokonali czegoś, co w życiu codziennym byłoby nie do pomyślenia — odwrócili kierunek, w którym płynie czas. Należy zaznaczyć, że fizyka dawno już przewidziała taki efekt, jednak nikomu do tej pory nie udało się go uzyskać. Tym bardziej więc należy się uznanie dla sukcesu brazylijskich naukowców.

Zdobyta przez nich wiedza z pewnością pomoże nam teraz lepiej zrozumieć naturę czasu, a także wyjaśnić wczesne etapy historii Wszechświata oraz rządzące nim prawa. Ponadto, to niezwykłe odkrycie może przysłużyć się do stworzenia nowej generacji maszyn i urządzeń, działających wbrew klasycznej termodynamice. Zaobserwowane przez badaczy zjawisko da się bowiem odtworzyć nie tylko w małej skali, ale także na dużej liczbie cząsteczek jednocześnie.

Mimo że rezultaty powyższych badań raczej nie posłużą do budowy maszyny czasu, to zakłada się, że przyniosą wiele innych korzyści. Nie ma więc sensu marzyć o przeszłości, skoro otwiera się przed nami nowa przyszłość.