Fiziķi parāda, kā apgriezt laika bultiņu

Viens no ziņkārīgākajiem izaicinājumiem fizikā ir laika būtības izpratne. Mikroskopiskā līmenī fizikas likumi ir simetriski attiecībā pret laiku — tie darbojas tikpat labi neatkarīgi no tā, vai laiks skrien uz priekšu vai atpakaļ. Bet makroskopiskā līmenī visiem procesiem ir vēlamais virziens. Lielais fiziķis Arturs Edingtons to nosauca par laika bultu.

Tas, kāpēc šī bultiņa norāda vienā virzienā, bet ne otrā, ir viena no lielākajām zinātniskajām mīklām. Standarta atbilde ir tāda, ka laika bultiņa izriet no Otrā termodinamikas likuma - ka traucējumi vai entropija vienmēr palielinās slēgtā sistēmā.

Tāpēc piens viegli sajaucas tējā, bet nekad neizdalās no brūvējuma, kāpēc olu kultenis nekad spontāni neizjaucas un kāpēc rīta kafijas krūze silda rokas, kad to turat, nevis otrādi.

Taču darbojas vēl viens faktors — Visuma sākotnējie apstākļi. Nezināmu iemeslu dēļ agrīnais Visums bija karsts un tā enerģija sadalījās vienmērīgi. Šis ir zemas entropijas stāvoklis sistēmai, kurā dominē gravitācija.

Laika gaitā entropija ir nepārtraukti palielinājusies, un tas ir lielā mērā noteicis laika bultu.

Bet tas rada interesantu iespēju. Ja sākotnējie apstākļi nosaka laika bultu, iespējams, uz Zemes ir iespējams izveidot sistēmas ar sākotnējiem nosacījumiem, kas liek laika bultiņai skriet pretējā virzienā. Šajās sistēmās olas varētu spontāni atšifrēt un uzkarst varētu plūst no aukstiem objektiem uz karstiem.

Šodien Kaonan Micadei no Federālās universitātes ABC Brazīlijā un daži draugi pirmo reizi ir izveidojuši šādu sistēmu. Viņu eksperimentā laika bultiņa iet otrādi, ļaujot viņiem novērot aukstu objektu, kas uzkarst karstāku. Darbs rada jaunas paaudzes ierīču iespējamību, kurā laika bultiņa skrien atpakaļ.

Eksotiskā jaunā sistēma ir hloroforma maisījums, kas izšķīdināts nagu lakas noņēmējā jeb acetonā. Hloroforms - CHCl3 - sastāv no viena oglekļa atoma, viena ūdeņraža atoma un trim hlora atomiem.

Tas rada ideālu rotaļu laukumu kvantu fiziķiem, kuri spēj manipulēt ar atsevišķu oglekļa un ūdeņraža kodolu kodola apgriezieniem, izmantojot paņēmienu, ko sauc par kodolmagnētisko rezonansi.

Ideja ir izlīdzināt kodolus, izmantojot spēcīgu magnētisko lauku. Pēc tam fiziķi izmanto radio impulsus, lai apgrieztu vienu vai abus apgriezienus, izraisot to savstarpējo saistību vai sapīšanu. Un, klausoties kodolu izstarotos radio signālus, fiziķi var noskaidrot, kā attīstās kodolu kvantu stāvokļi.

Tajā pašā laikā oglekļa un ūdeņraža kodoli atrodas termiskā kontaktā, kas nozīmē, ka siltumenerģija var plūst no viena uz otru. Komanda var kontrolēt abu kodolu temperatūru, selektīvi karsējot tos, izmantojot kodolmagnētisko rezonansi. Kad viens kodols ir karstāks par otru, siltums dabiski plūst no karstā uz aukstāko.

Jaunajā eksperimentā Micadei un co ir novērojuši pretējo. Un galvenais ir iepriekš sapīt kodolus. Sapīšanās ir dīvains kvantu process, kurā divām kvantu daļiņām ir viena un tā pati eksistence. Tieši šo fenomenu Micadei un citi ir izmantojuši, lai radītu unikālu sākotnējo nosacījumu kopumu, kas ļauj laikam skriet atpakaļ.

Kad kodoli ir sapinušies, korelācija rada papildu ierobežojumus daļiņu uzvedībai, kā rezultātā rodas sava veida dzinējs, kas virza siltumenerģiju pretējā virzienā. Mēs novērojam spontānu siltuma plūsmu no aukstās uz karsto sistēmu, saka komanda.

Tam ir svarīga ietekme uz mūsu izpratni par laiku un tā saistību ar sapīšanos un entropiju. Mūsu rezultātiem par termodinamisko laika bultiņu var būt arī stimulējošas sekas uz kosmoloģisko laika bultiņu, saka Mikadijs un kolēģi, norādot, ka līdzīgas korelācijas var būt atbildīgas par Visuma sākotnējiem apstākļiem.

Būtisks punkts šajā darbā ir tas, ka šī parādība neaprobežojas tikai ar mikroskopiskām sistēmām. Patiešām, šie KMR eksperimenti darbojas makro mērogā, kurā milzīgs skaits molekulu veicina novēroto signālu. Tādējādi rezultāts var arī ļaut izveidot jaunas paaudzes ierīces, kas pārvada siltumu no aukstiem reģioniem uz karstiem.

Interesants darbs pie laika pamatiem.

Atsauce: arxiv.org/abs/1711.03323 : Termodinamiskās laika bultiņas apgriešana, izmantojot kvantu korelācijas

paslēpties