הזמן עובר לכיוון אחד: קדימה. ילדים קטנים הופכים לגברים זקנים אך לא להפך; ספל תה מתנפץ אך לעולם לא מתכנס מחדש באופן ספונטני. תכונה אכזרית ובלתי ניתנת לשינוי של היקום, המכונה "חץ הזמן", היא מהותית תוצאה של החוק השני של התרמודינמיקה, המכתיב שמערכות תמיד נוטות להתפרע עם הזמן. אך לאחרונה, חוקרים מארה"ב ורוסיה כפפו את החץ הזה רק מעט - לפחות עבור חלקיקים תת-אטומיים.
במחקר החדש שפורסם ביום שלישי (12 במרץ) בכתב העת Scientific Reports, החוקרים ביצעו מניפולציות על חץ הזמן באמצעות מחשב קוונטי זעיר ביותר, העשוי משני חלקיקי קוונטים, המכונים קווביטים, שביצעו חישובים.
בסקאלה התת-אטומית, שם חלים כללים משונים של מכניקת הקוונטים, פיסיקאים מתארים את מצב המערכות באמצעות מבנה מתמטי הנקרא פונקצית גל. פונקציה זו היא ביטוי לכל המצבים האפשריים שהמערכת יכולה להיות בה - אפילו במקרה של חלקיק, כל המיקומים האפשריים שבהם היא יכולה להיות - וההסתברות שהמערכת תהיה בכל אחד מאותם מצבים בכל זמן נתון . ככלל, ככל שחולף הזמן, פונקציות הגל מתפשטות; המיקום האפשרי של חלקיק יכול להיות רחוק יותר אם אתה ממתין שעה מאשר אם אתה מחכה 5 דקות.
ביטול התפשטות פונקציית הגל זה כמו לנסות להחזיר חלב שנשפך בחזרה לבקבוק. אבל זה בדיוק מה שהשיגו החוקרים בניסוי חדש זה.
"אין למעשה שום סיכוי שזה יקרה מעצמו", אמר החוקר הראשי ולרי וינוקור, פיזיקאי במעבדה הלאומית ארגונה באילינוי. "זה כמו האמרה, איפה שאם אתה נותן לקוף מכונת כתיבה והרבה זמן, הוא עשוי לכתוב את שייקספיר." במילים אחרות, זה אפשרי מבחינה טכנית אך לא סביר שזה יכול להיות בלתי אפשרי.
איך המדענים גרמו לכך שבלתי אפשרי למעשה? על ידי שליטה בזהירות על הניסוי.
סטיבן ברטלט, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת סידני, אמר לליבי סיינס: "אתה באמת צריך הרבה שליטה בכדי לגרום לכל חתיכות הכוס השבורות של כוס תה לחזור יחד". ברטלט לא היה מעורב במחקר. "צריך להיות לך שליטה רבה במערכת כדי לגרום לזה לעשות זאת ... ומחשב קוונטי הוא דבר שמאפשר לנו לקבל שליטה עצומה על מערכת קוונטית מדומה."
החוקרים השתמשו במחשב קוונטי כדי לדמות חלקיק בודד, שתפקוד הגל שלו מתפשט עם הזמן כמו אדווה בבריכה. לאחר מכן, הם כתבו אלגוריתם במחשב הקוונטי שהפך את התפתחות הזמן של כל רכיב בודד בפונקציית הגלים, בעצם מושך את הגליעה חזרה לחלקיק שיצר אותה. הם השיגו הישג זה מבלי להגביר את האנטרופיה, או הפרעה במקום אחר ביקום, כביכול מתריסים נגד חץ הזמן.
האם פירוש הדבר שהחוקרים יצרו מכונת זמן? האם הם הפרו את חוקי הפיזיקה? התשובה היא לא לשתי השאלות הללו. החוק השני של התרמודינמיקה אומר כי סדר היקום צריך לצמצם עם הזמן אך לא שהוא לעולם לא יכול להישאר זהה במקרים מיוחדים מאוד. והניסוי הזה היה מספיק קטן, מספיק קצר ומבוקר מספיק כדי שהיקום לא צבר ולא איבד אנרגיה.
"זה מאוד מורכב ומסובך לשלוח גלים על בריכה חזרה" ברגע שנוצרו, אמר וינוקור, "אבל ראינו שזה אפשרי בעולם הקוונטים, במקרה פשוט מאוד." במילים אחרות, זה היה אפשרי כאשר השתמשו בשליטה שניתנה להם על ידי המחשב הקוונטי כדי לבטל את השפעת הזמן.
לאחר הפעלת התוכנית, המערכת חזרה למצב המקורי שלה 85 אחוז מהזמן. עם זאת, כאשר הוכנס ריבית שלישית, הניסוי הצליח רק 50 אחוז מהזמן. החוקרים אמרו כי מורכבות המערכת ככל הנראה גדלה יותר מדי עם הקיביט השלישי, והקשה על מחשב הקוונטים לשמור על השליטה בכל תחומי המערכת. ללא שליטה זו, אי אפשר להחזיק את האנטרופיה בבדיקה, ולכן היפוך הזמן אינו מושלם. ועדיין, הם מכוונים למערכות גדולות יותר ומחשבי קוונטים גדולים יותר לצעדים הבאים שלהם, אמר Vinokur ל- Live Science.
ג'יימס וויטפילד, פרופסור לפיזיקה במכללת דארטמות 'בניו המפשייר, שלא היה מעורב במחקר, אמר ל- Live Science: "העבודה היא תרומה יפה ליסודות הפיזיקה. "זה מזכיר לנו שלא כל היישומים של מחשוב קוונטי חייבים להיות מכוונים ליישום כדי להיות מעניינים."
"זו בדיוק הסיבה שאנחנו בונים מחשבים קוונטיים", אמר ברטלט. "זו הדגמה שמחשבים קוונטיים יכולים לאפשר לנו לדמות דברים שלא צריכים להתרחש בעולם האמיתי."
