Tiden går i en riktning: framåt. Små pojkar blir gamla män men inte tvärtom; tekoppar krossar men återmonteras aldrig spontant. Denna grymma och oföränderliga egendom i universum, som kallas "tidens pil", är i grund och botten en följd av termodynamikens andra lag, som dikterar att system alltid tenderar att bli mer oroliga med tiden. Men nyligen har forskare från USA och Ryssland böjt pilen bara lite - åtminstone för subatomära partiklar.
I den nya studien, publicerad tisdag (12 mars) i tidskriften Scientific Reports, manipulerade forskare tidens pil med en mycket liten kvantdator av två kvantpartiklar, känd som qubits, som utförde beräkningar.
I den subatomära skalan, där de udda reglerna för kvantmekanik håller sig, beskriver fysiker systemets tillstånd genom en matematisk konstruktion som kallas en vågfunktion. Denna funktion är ett uttryck för alla möjliga tillstånd som systemet kan vara i - till och med, när det gäller en partikel, alla möjliga platser det kan vara i - och sannolikheten för att systemet befinner sig i någon av dessa tillstånd vid en given tidpunkt . Allmänt, när tiden går, sprids vågfunktioner; en partikels möjliga plats kan vara längre bort om du väntar en timme än om du väntar 5 minuter.
Ångra spridningen av vågfunktionen är som att försöka sätta ut spilld mjölk i flaskan. Men det är exakt vad forskarna åstadkom i detta nya experiment.
"Det finns i princip ingen chans att detta händer på egen hand", berättade huvudforskaren Valerii Vinokur, en fysiker vid Argonne National Laboratory i Illinois, till Live Science. "Det är som att säga, där om du ger en apa en skrivmaskin och mycket tid, kan han skriva Shakespeare." Med andra ord, det är tekniskt möjligt men så osannolikt att det lika väl kan vara omöjligt.
Hur fick forskarna det väsentligen omöjliga att hända? Genom att kontrollera försöket noggrant.
"Du behöver verkligen mycket kontroll för att alla trasiga bitar av en tekopp ska komma ihop igen," sa Stephen Bartlett, professor i fysik vid University of Sydney, till Live Science. Bartlett deltog inte i studien. "Du måste ha mycket kontroll över systemet för att få det att göra det ... och en kvantdator är något som låter oss ha en enorm mängd kontroll över ett simulerat kvantsystem."
Forskarna använde en kvantdator för att simulera en enda partikel, där dess vågfunktion sprer sig över tiden som en krusning i ett damm. Sedan skrev de en algoritm i kvantdatorn som vändte tidsutvecklingen för varje enskild komponent i vågfunktionen, och drog i huvudsak den rippeln tillbaka in i den partikel som skapade den. De åstadkom denna prestation utan att öka entropin, eller oordning någon annanstans i universum, och till synes trossa tidens pil.
Betyder det att forskarna skapade en tidsmaskin? Bröt de fysikens lagar? Svaret är nej till båda dessa frågor. Den andra lagen om termodynamik säger att universums ordning måste minska över tiden men inte att den aldrig kan förbli densamma i mycket speciella fall. Och detta experiment var tillräckligt litet, tillräckligt kort och kontrollerat nog att universum varken fick eller förlorade energi.
"Det är väldigt komplicerat och komplicerat att skicka vågor på en damm tillbaka" när de har skapats, sa Vinokur, "men vi såg att detta var möjligt i kvantvärlden, i ett mycket enkelt fall." Med andra ord, det var möjligt när de använde kontrollen som de gavs av kvantdatorn för att ångra tidens effekt.
Efter att ha kört programmet gick systemet tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd 85 procent av tiden. Men när en tredje kvbit introducerades lyckades experimentet bara 50 procent av tiden. Forskarna sa att komplexiteten i systemet sannolikt ökade för mycket med den tredje qubit, vilket gjorde det svårare för kvantdatorn att behålla kontrollen över alla aspekter av systemet. Utan den kontrollen kan entropi inte hållas under kontroll, och tidsförändringen är därför ofullkomlig. Fortfarande siktar de på större system och större kvantdatorer för deras nästa steg, sa Vinokur till Live Science.
"Arbetet är ett bra bidrag till grunden för fysik," berättade James Whitfield, professor i fysik vid Dartmouth College i New Hampshire, som inte deltog i studien, Live Science. "Det påminner oss om att inte alla applikationer för kvantberäkning måste vara applikationsorienterade för att vara intressanta."
"Det är exakt varför vi bygger kvantdatorer," sade Bartlett. "Detta är en demonstration av att kvantdatorer kan tillåta oss att simulera saker som inte borde ske i den verkliga världen."
