Fizikai parodo, kaip pakeisti laiko rodyklę

Vienas iš įdomiausių fizikos iššūkių yra suprasti laiko prigimtį. Mikroskopiniu lygmeniu fizikos dėsniai yra simetriški laiko atžvilgiu – jie veikia taip pat gerai, nesvarbu, ar laikas bėga pirmyn, ar atgal. Tačiau makroskopiniu lygmeniu visi procesai turi pageidaujamą kryptį. Didysis fizikas Arthuras Eddingtonas tai pavadino laiko strėle.

Tai, kodėl ši rodyklė nukreipta į vieną pusę, o ne į kitą, yra vienas didžiausių mokslinių galvosūkių. Standartinis atsakymas yra toks, kad laiko rodyklė išplaukia iš antrojo termodinamikos dėsnio – kad netvarka arba entropija visada didėja uždaroje sistemoje.

Štai kodėl pienas lengvai susimaišo arbatoje, bet niekada neišnyksta iš užplikymo, kodėl kiaušinienė niekada spontaniškai neišplaka ir kodėl rytinis kavos puodelis šildo rankas, kai jį laikote, o ne atvirkščiai.

Tačiau veikia ir kitas veiksnys – pradinės visatos sąlygos. Dėl nežinomų priežasčių ankstyvoji visata buvo karšta ir jos energija pasiskirstė tolygiai. Tai žemos entropijos būsena sistemai, kurioje dominuoja gravitacija.

Laikui bėgant entropija nuolat didėjo, ir tai daugiausia nulėmė laiko rodyklę.

Tačiau tai iškelia įdomią galimybę. Jei pradinės sąlygos lemia laiko rodyklę, galbūt Žemėje įmanoma sukurti sistemas su pradinėmis sąlygomis, kurios priverčia laiko rodyklę bėgti priešinga kryptimi. Šiose sistemose kiaušiniai galėtų spontaniškai iškrapštyti ir kaitinti galėtų srautas iš šaltų objektų į karštus.

Šiandien Kaonanas Micadei iš federalinio universiteto ABC Brazilijoje ir keli draugai pirmą kartą sukūrė tokią sistemą. Jų eksperimente laiko rodyklė eina atvirkščiai, todėl jie gali stebėti šaltą objektą, įkaistantį karštesnį. Darbe iškeliama naujos kartos įrenginių, kuriuose laiko rodyklė bėga atgal, galimybė.

Egzotiška nauja sistema – chloroformo mišinys, ištirpintas nagų lako valiklyje, arba acetone. Chloroformas – CHCl3 – susideda iš vieno anglies atomo, vieno vandenilio atomo ir trijų chloro atomų.

Tai sukuria puikią žaidimų aikštelę kvantiniams fizikams, kurie gali manipuliuoti pavienių anglies ir vandenilio branduolių branduoliniais sukimais, naudodami techniką, vadinamą branduolinio magnetinio rezonanso metodu.

Idėja yra suderinti branduolius naudojant stiprų magnetinį lauką. Tada fizikai naudoja radijo impulsus, kad apverstų vieną ar abu sukimus, todėl jie susilieja arba susipainioja. Klausydamiesi branduolių skleidžiamų radijo signalų, fizikai gali išsiaiškinti, kaip vystosi branduolių kvantinės būsenos.

Tuo pačiu metu anglies ir vandenilio branduoliai yra terminiame kontakte, o tai reiškia, kad šilumos energija gali tekėti iš vieno į kitą. Komanda gali kontroliuoti abiejų branduolių temperatūrą selektyviai kaitindama juos naudojant branduolinį magnetinį rezonansą. Kai vienas branduolys yra karštesnis už kitą, šiluma natūraliai teka iš karšto į šaltesnį.

Naujajame eksperimente Micadei ir bendradarbiai pastebėjo priešingai. O svarbiausia – iš anksto supainioti branduolius. Susipynimas yra keistas kvantinis procesas, kurio metu dvi kvantinės dalelės turi tą patį egzistavimą. Būtent šiuo reiškiniu Micadei ir bendradarbiai išnaudojo unikalų pradinių sąlygų rinkinį, leidžiantį laikui bėgti atgal.

Kai branduoliai yra įsipainioję, koreliacija nustato papildomų dalelių elgesio apribojimų, todėl susidaro tam tikras variklis, kuris varo šilumos energiją priešinga kryptimi. Mes stebime savaiminį šilumos srautą iš šalto į karštą sistemą, sako komanda.

Tai turi svarbių pasekmių mūsų supratimui apie laiką ir jo santykį su įsipainiojimu ir entropija. Mūsų termodinaminės laiko rodyklės rezultatai taip pat gali turėti stimuliuojančių pasekmių kosmologinei laiko rodyklei, sako Micadei ir bendradarbiai, užsimindami, kad panašios koreliacijos gali būti atsakingos už pradines visatos sąlygas.

Svarbus šio darbo dalykas yra tai, kad šis reiškinys neapsiriboja mikroskopinėmis sistemomis. Tiesą sakant, šie BMR eksperimentai veikia makro mastu, kuriame daugybė molekulių prisideda prie stebimo signalo. Taigi rezultatas taip pat gali leisti sukurti naujos kartos įrenginius, kurie perkelia šilumą iš šaltų regionų į karštus.

Įdomus darbas apie laiko pagrindus.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1711.03323 : Termodinaminės laiko rodyklės atsukimas naudojant kvantines koreliacijas

paslėpti