(Pete Linforth/Pixabay) Es ist leicht, den Pfeil der Zeit als selbstverständlich zu betrachten – aber die Gänge der Physik funktionieren umgekehrt genauso reibungslos. Vielleicht ist diese Zeitmaschine doch möglich?
Ein Experiment aus dem Jahr 2019 zeigt, wie viel Spielraum wir erwarten können, wenn es darum geht, die Vergangenheit von der Zukunft zu unterscheiden, zumindest auf Quantenskala. Es erlaubt uns vielleicht nicht, die 1960er Jahre noch einmal zu erleben, aber es könnte uns helfen, besser zu verstehen, warum nicht.
Forscher aus Russland und den USA haben sich zusammengetan, um einen Weg zu finden, eines der grundlegendsten Energiegesetze der Physik zu durchbrechen oder zumindest zu verbiegen.
Das zweite Gesetz von Thermodynamik ist weniger eine strenge Regel als vielmehr ein Leitprinzip für das Universum. Es heißt, dass heiße Dinge mit der Zeit kälter werden, wenn sich die Energie umwandelt und sich von den Bereichen ausbreitet, in denen sie am intensivsten ist.
Es ist ein Prinzip, das erklärt, warum Ihr Kaffee in einem kalten Raum nicht heiß bleibt, warum es einfacher ist, ein Ei zu rühren, als es zu entrühren, und warum Ihnen niemand jemals ein Patent geben wird Perpetuum Mobile .
Es kommt auch einer Regel am nächsten, die uns sagt, warum wir uns an das Abendessen gestern Abend erinnern können, aber keine Erinnerung an das nächste Weihnachten haben.
„Dieses Gesetz steht in engem Zusammenhang mit der Vorstellung des Zeitpfeils, der die einseitige Richtung der Zeit von der Vergangenheit in die Zukunft angibt.“ sagte der Quantenphysiker Gordey Lesovik vom Moskauer Institut für Physik und Technologie.
Praktisch jede andere Regel der Physik kann umgedreht werden und ergibt dennoch Sinn. Sie könnten beispielsweise eine Partie Billard heranzoomen, und eine einzelne Kollision zwischen zwei beliebigen Bällen würde nicht seltsam aussehen, wenn Sie sie zufällig in umgekehrter Reihenfolge sehen würden.
Wenn Sie hingegen zusehen würden, wie Kugeln aus den Taschen rollen und die Startpyramide neu formieren, wäre das eine ernüchternde Erfahrung. Das ist das zweite Gesetz, das für Sie gilt.
Auf der Makroskala von Omeletts und Billardspielen sollten wir nicht viel Nachgeben bei den Gesetzen der Thermodynamik erwarten. Aber wenn wir uns auf die winzigen Zahnräder der Realität konzentrieren – in diesem Fall einzelne Elektronen –, tauchen Lücken auf.
Elektronen sind keine winzigen Billardkugeln, sondern eher Informationen, die einen Raum einnehmen. Ihre Details werden durch etwas namens definiert Schrödinger-Gleichung , was die Möglichkeiten der Eigenschaften eines Elektrons als Zufallswelle darstellt.
Wenn das etwas verwirrend ist, stellen wir uns eine Partie Billard vor, aber dieses Mal ist das Licht aus. Sie beginnen mit der Information – einer Spielkugel – in Ihrer Hand und lassen sie dann über den Tisch rollen.
Die Schrödinger-Gleichung besagt, dass sich der Ball irgendwo auf dem Billardtisch mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Quantentechnisch gesehen bewegt sich der Ball überall mit einer Reihe von Geschwindigkeiten … manche sind nur wahrscheinlicher als andere.
Sie können Ihre Hand ausstrecken und es greifen, um seinen Standort zu bestimmen, aber jetzt sind Sie nicht sicher, wie schnell es war. Sie könnten auch sanft mit dem Finger darüber streichen und sicher wissen, wie schnell es ist, aber wohin es ging … wer weiß?
Es gibt jedoch noch einen anderen Trick, den Sie anwenden könnten. Einen Sekundenbruchteil, nachdem Sie den Ball ins Rollen gebracht haben, können Sie ziemlich sicher sein, dass er sich immer noch in der Nähe Ihrer Hand befindet und sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt.
In gewisser Hinsicht sagt die Schrödinger-Gleichung dasselbe für Quantenteilchen voraus. Mit der Zeit erweitern sich die Möglichkeiten für die Position und Geschwindigkeit eines Teilchens.
„Die Schrödinger-Gleichung ist jedoch umkehrbar“, sagte der Materialwissenschaftler Valerii Vinokur vom Argonne National Laboratory in den USA.
„Mathematisch gesehen bedeutet dies, dass die Gleichung unter einer bestimmten Transformation, die als komplexe Konjugation bezeichnet wird, ein ‚verschmiertes‘ Elektron beschreibt, das sich im gleichen Zeitraum wieder in einem kleinen Raumbereich lokalisiert.“
Es ist, als würde sich Ihr Spielball nicht mehr in einer Welle unendlicher möglicher Positionen über den dunklen Tisch ausbreiten, sondern in Ihre Hand zurückspulen.
Theoretisch spricht nichts dagegen, dass es spontan geschieht. Allerdings müsste man jede Sekunde und die gesamte Lebensdauer unseres Universums auf 10 Milliarden elektronengroße Billardtische starren, um zu sehen, dass dies einmal geschieht.
Anstatt geduldig zu warten und zuzusehen, wie die Finanzierung versickert, nutzte das Team die unbestimmten Zustände von Partikeln in einem so viel wie ein Computer als ihre Billardkugel und eine geschickte Manipulation des Computers als ihre „Zeitmaschine“.
Jeder dieser Zustände oder Qubits wurde in einem einfachen Zustand angeordnet, der einer Hand entsprach, die den Ball hielt. Sobald der Quantencomputer in Betrieb genommen wurde, entfalteten diese Zustände eine Reihe von Möglichkeiten.
Durch die Optimierung bestimmter Bedingungen im Computer-Setup wurden diese Möglichkeiten auf eine Weise eingeschränkt, die die Schrödinger-Gleichung bewusst zurückdrehte.
Um dies zu testen, startete das Team den Aufbau erneut, als würde er gegen einen Billardtisch treten und beobachten, wie sich die verstreuten Bälle wieder in die ursprüngliche Pyramidenform anordnen. Bei etwa 85 Prozent der Versuche, die nur auf zwei Qubits basieren, ist genau das passiert.
Auf praktischer Ebene könnten die Algorithmen, die sie verwendeten, um die Schrödinger-Gleichung auf diese Weise so zu manipulieren, dass sie zurückgespult werden, dazu beitragen, die Genauigkeit von zu verbessern Quantencomputer .
Es ist nicht das erste Mal, dass dieses Team den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf die Probe stellt. Vor ein paar Jahren Sie verwickelten einige Partikel und schafften es, sie so zu erhitzen und abzukühlen, dass sie sich praktisch wie ein Perpetuum Mobile verhielten.
Wege zu finden, die Grenzen solcher physikalischen Gesetze auf der Quantenskala zu verschieben, könnte uns helfen, besser zu verstehen, warum das Universum so „fließt“, wie es tut.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte .
Eine Version dieses Artikels wurde erstmals im März 2019 veröffentlicht.