Joseph Norman
0 
1343
266
En ny teknik för kvantberäkning skulle kunna öppna hela modellen för hur tiden rör sig i universum.
Här är vad som länge verkade vara sant: Tiden fungerar i en riktning. Den andra riktningen? Inte så mycket.
Det är sant i livet. (Tisdagen går in på onsdagen 2018 till 2019, ungdomar till ålderdom.) Och det är sant i en klassisk dator. Vad betyder det? Det är mycket lättare för lite program som körs på din bärbara dator att förutsäga hur ett komplext system kommer att röra sig och utvecklas i framtiden än det är att återskapa sitt förflutna. En egenskap hos universum som teoretiker kallar "kausal asymmetri" kräver att det krävs mycket mer information - och mycket mer komplexa beräkningar - för att röra sig i en riktning genom tiden än för att röra sig i den andra. (Praktiskt taget är det lättare att gå framåt i tiden.)
Detta har verkliga konsekvenser. Meteorologer kan göra ett ganska bra jobb med att förutsäga om det kommer att regna på fem dagar baserat på dagens väderradardata. Men be samma meteorologer att ta reda på om det regnade för fem dagar sedan med dagens radarbilder? Det är en mycket mer utmanande uppgift som kräver mycket mer data och mycket större datorer. [De 18 största olösta mysterierna i fysik]
Informationsteoretiker misstänkte under lång tid att kausal asymmetri kan vara ett grundläggande inslag i universum. Så länge sedan 1927 hävdade fysikern Arthur Eddington att denna asymmetri är anledningen till att vi bara går framåt genom tiden och aldrig bakåt. Om du förstår universum som en gigantisk dator som hela tiden beräknar sig igenom tiden är det alltid lättare - mindre resurskrävande - för saker att flyta framåt (orsak, effekt sedan) än bakåt (effekt, sedan orsak). Denna idé kallas "tidens pil."
Men en ny artikel, som publicerades 18 juli i tidskriften Physical Review X, öppnar dörren till möjligheten att den pilen är en artefakt av beräkningen i klassisk stil - något som vi bara tyckte vara fallet på grund av våra begränsade verktyg.
Ett forskarlag fann att kausal asymmetri under vissa omständigheter försvinner i kvantdatorer, som beräknar på ett helt annat sätt - till skillnad från klassiska datorer där information lagras i en av två tillstånd (1 eller 0), med kvantdatorer, lagras information i subatomära partiklar som följer några bisarra regler och så kan var och en vara i mer än ett tillstånd samtidigt. Och ännu mer lockande pekar deras uppsats på vägen mot framtida forskning som kan visa kausal asymmetri inte alls finns i universum alls.
Hur är det?
Mycket ordnade och mycket slumpmässiga system är lätta att förutsäga. (Tänk på en pendel - ordnad - eller ett gasmoln som fyller ett rum - ostört.) I det här arbetet tittade forskarna på fysiska system som hade en guldlocksnivå av störning och slumpmässighet - inte för lite och inte för mycket. (Så, något som ett utvecklande vädersystem.) Dessa är mycket svåra för datorer att förstå, sa studiens medförfattare Jayne Thompson, en komplexitetsteoretiker och fysiker som studerar kvantinformation vid National University of Singapore. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]
Därefter försökte de ta reda på dessa systemers tidpunkter och framtider med hjälp av teoretiska kvantdatorer (inga fysiska datorer inblandade). Inte bara använde dessa modeller av kvantdatorer mindre minne än de klassiska datormodellerna, sa hon, de kunde springa i endera riktningen genom tiden utan att använda upp extra minne. Med andra ord, kvantemodellerna hade ingen kausal asymmetri.
"Även om det klassiskt är kan det vara omöjligt för processen att gå i en av riktningarna [genom tiden]," berättade Thompson, "våra resultat visar att 'kvantmekaniskt', processen kan gå i endera riktningen med mycket lite minne."
Och om det är sant i en kvantdator, så är det sant i universum, sa hon.
Kvantefysik är studiet av de konstiga beteende hos mycket små partiklar - alla de mycket små partiklarna i universum. Och om kvantefysiken är sant för alla bitar som utgör universum, är det sant för universumet självt, även om vissa av dess lurare effekter inte alltid är uppenbara för oss. Så om en kvantdator kan fungera utan kausal asymmetri, så kan universum också.
Att se en serie bevis om hur kvantdatorer en dag kommer att fungera är naturligtvis inte samma sak som att se effekten i den verkliga världen. Men vi är fortfarande långt borta från kvantdatorer som är avancerade nog för att köra den typ av modeller som detta papper beskriver, sade de.
Thompson sade dessutom att denna forskning inte bevisar att det inte finns någon kausal asymmetri någonstans i universum. Hon och hennes kollegor visade att det inte finns någon asymmetri i en handfull system. Men det är möjligt, sade hon, att det finns några mycket nakna kvantmodeller där viss kausal asymmetri uppstår.
"Jag är agnostiker på den punkten," sa hon.
Tills vidare.
Nästa steg för denna forskning, sa hon, är att svara på den frågan - att ta reda på om kausal asymmetri finns i några kvantmodeller.
Detta papper bevisar inte att tiden inte existerar, eller att vi en dag kommer att kunna glida bakåt genom den. Men det verkar visa att en av de viktigaste byggstenarna i vår förståelse av tid, orsak och effekt inte alltid fungerar på det sätt som forskare länge har antagit - och kanske inte fungerar på det sättet alls. Vad det betyder för tidens form och för oss andra är fortfarande något av en öppen fråga.
Den verkliga praktiska fördelen med detta arbete, sade hon, är att långt ner på vägen kan kvantdatorer enkelt kunna köra simuleringar av saker (som vädret) i endera riktningen genom tiden, utan allvarliga svårigheter. Det skulle vara en havsförändring från den nuvarande världen för klassisk modellering.
Ursprungligen publicerad den .