Masa berjalan dalam satu arah: ke hadapan. Kanak-kanak lelaki menjadi lelaki tua tetapi tidak sebaliknya; Teh cawan menghancurkan tetapi tidak pernah spontan semula. Ini sifat kejam dan tidak berubah dari alam semesta, dipanggil "panah masa", pada dasarnya adalah akibat daripada undang-undang termodinamik kedua, yang menetapkan bahawa sistem akan sentiasa menjadi lebih teratur dari masa ke masa. Tetapi baru-baru ini, para penyelidik dari A.S. dan Rusia telah membongkar anak panah itu sedikit - sekurang-kurangnya untuk zarah subatomik.
Dalam kajian baru yang diterbitkan Selasa (12 Mac) dalam jurnal Laporan Saintifik, penyelidik memanipulasi panah masa dengan menggunakan komputer kuantum yang sangat kecil yang terbuat dari dua zarah kuantum, yang dikenali sebagai qubit, yang dilakukan pengiraan.
Pada skala subatomik, di mana peraturan ganjil mekanik kuantum bertahan, ahli fizik menerangkan keadaan sistem melalui pembinaan matematik yang dipanggil fungsi gelombang. Fungsi ini adalah ungkapan semua keadaan yang mungkin sistem dapat berada dalam - walaupun, dalam hal zarah, semua lokasi yang mungkin dapat di - dan kebarangkalian sistem berada di mana-mana negeri tersebut pada suatu masa tertentu . Secara umumnya, sebagai masa berlalu, fungsi gelombang merebak; lokasi mungkin zarah boleh jauh jika anda menunggu sejam daripada jika anda menunggu 5 minit.
Mengurangkan penyebaran fungsi gelombang adalah seperti cuba meletakkan susu tumpah kembali ke dalam botol. Tetapi itulah yang dilakukan para penyelidik dalam eksperimen baru ini.
"Pada dasarnya tidak ada peluang ini berlaku sendiri," kata penyelidik utama Valerii Vinokur, ahli fizik di Makmal Kebangsaan Argonne di Illinois, kepada Live Science. "Ia seperti pepatah, di mana jika anda memberikan monyet mesin taip dan banyak masa, dia boleh menulis Shakespeare." Dalam erti kata lain, ia mungkin secara teknikal tetapi tidak begitu mungkin ia juga mungkin tidak mungkin.
Bagaimanakah saintis membuat perkara yang tidak mungkin berlaku? Dengan berhati-hati mengawal eksperimen.
"Anda benar-benar memerlukan banyak kawalan untuk membuat semua kepingan patah tulang kembali bersama," kata Stephen Bartlett, profesor fizik di University of Sydney, kepada Live Science. Bartlett tidak terlibat dalam kajian ini. "Anda perlu mempunyai banyak kawalan ke atas sistem itu untuk menjadikannya ... dan komputer kuantum adalah sesuatu yang membolehkan kami mempunyai banyak kawalan ke atas sistem kuantum simulasi."
Para penyelidik menggunakan komputer kuantum untuk mensimulasikan satu zarah tunggal, fungsi gelombangnya menyebar sepanjang masa seperti riak di dalam kolam. Kemudian, mereka menulis sebuah algoritma dalam komputer kuantum yang membalikkan evolusi masa setiap komponen tunggal fungsi gelombang, pada dasarnya menarik riak itu kembali ke zarah yang menciptanya. Mereka mencapai prestasi ini tanpa meningkatkan entropi, atau gangguan di tempat lain di alam semesta, seolah-olah menentang panah masa.
Adakah ini bermakna penyelidik membuat mesin masa? Adakah mereka melanggar undang-undang fizik? Jawapannya tidak kepada kedua-dua soalan itu. Undang-undang termodinamik kedua mengatakan bahawa perintah alam semesta mesti berkurang dari masa ke masa tetapi tidak bahawa ia tidak boleh tetap sama dalam kes yang sangat istimewa. Dan eksperimen ini cukup kecil, cukup pendek dan cukup terkawal sehingga alam semesta tidak mendapat tenaga atau kehilangan tenaga.
"Ia sangat rumit dan rumit untuk menghantar gelombang di kolam belakang" apabila mereka telah dicipta, kata Vinokur, "tetapi kami melihat bahawa ini mungkin dalam dunia kuantum, dalam kes yang sangat mudah." Dalam erti kata lain, adalah mungkin apabila mereka menggunakan kawalan yang diberikan kepada mereka oleh komputer kuantum untuk membatalkan kesan masa.
Setelah menjalankan program, sistem itu kembali ke keadaan asalnya 85 peratus masa itu. Walau bagaimanapun, apabila qubit ketiga diperkenalkan, eksperimen berjaya hanya 50 peratus masa. Para penyelidik berkata kerumitan sistem mungkin meningkat terlalu banyak dengan qubit ketiga, menjadikannya lebih sukar untuk komputer kuantum untuk mengekalkan kawalan ke atas semua aspek sistem. Tanpa kawalan itu, entropi tidak dapat dipertimbangkan, dan pembalikan masa itu tidak sempurna. Namun, mereka menyasarkan sistem yang lebih besar dan komputer kuantum yang lebih besar untuk langkah seterusnya, kata Vinokur kepada Sains Live.
"Kerja ini merupakan sumbangan yang baik kepada asas-asas fizik," kata James Whitfield, seorang profesor fizik di Dartmouth College di New Hampshire, yang tidak terlibat dalam kajian itu, memberitahu Live Science. "Ia mengingatkan kita bahawa tidak semua aplikasi pengkomputeran kuantum mestilah berorientasikan aplikasi untuk menjadi menarik."
"Inilah sebabnya mengapa kita membina komputer kuantum," kata Bartlett. "Ini adalah demonstrasi bahawa komputer kuantum dapat membolehkan kita mensimulasikan perkara yang tidak sepatutnya berlaku di dunia nyata."
