Kaffee kühlt ab, Gebäude stürzen ein, Eier zersplittern und Sterne gehen in einem Universum aus, das dazu bestimmt ist, sich in eine triste Monotonie zu verwandeln, die als thermisches Gleichgewicht bekannt ist. Der Astronom und Philosoph Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) erklärte 1927, dass die allmähliche Ableitung von Energie ein Beweis für die Irreversibilität des "Pfeils der Zeit" sei.
Zur Verwirrung ganzer Generationen von Physikern entspricht das Konzept des Zeitpfeils jedoch nicht den Grundgesetzen der Physik, die zeitlich sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Gegenrichtung wirken. Nach diesen Gesetzen würde sich Energie eher ansammeln als zerstreuen, wenn jemand die Wege aller Teilchen im Universum kennen und umkehren würde: Kalter Kaffee würde sich erwärmen, Gebäude würden aus den Ruinen aufsteigen und Sonnenlicht würde zurück zur Sonne gerichtet.
"Wir hatten Schwierigkeiten in der klassischen Physik", sagt Professor Sandu Popescu, der Physik an der Universität von Bristol in Großbritannien unterrichtet. "Wenn ich mehr wüsste, könnte ich das Blatt wenden und alle Moleküle im zerbrochenen Ei zusammenfügen?"
Natürlich, sagt er, wird der Pfeil der Zeit nicht von menschlicher Unwissenheit beherrscht. Und doch war seit Beginn der Thermodynamik in den 1850er Jahren die einzige bekannte Methode zur Berechnung der Energieausbreitung eine Formel für die statistische Verteilung unbekannter Teilchenbahnen und der Nachweis, dass Unwissenheit im Laufe der Zeit das Bild der Dinge verschmiert.
Die Physiker entdecken jetzt eine grundlegendere Quelle des Zeitpfeils. Energie löst sich auf und Objekte kommen ins Gleichgewicht, sagen sie, weil sich Elementarteilchen während der Wechselwirkung verwickeln. Sie nannten diesen seltsamen Effekt "Quantenmischung" oder Verschränkung.
"Wir können endlich verstehen, warum eine Tasse Kaffee in einem Raum damit in Einklang kommt", sagt der in Bristol ansässige Quantenphysiker Tony Short. "Es gibt eine Verwechslung zwischen dem Zustand der Kaffeetasse und dem Zustand des Raumes."
Popescu, Short und ihre Kollegen Noah Linden und Andreas Winter berichteten 2009 in Physical Review E über ihre Entdeckung und stellten fest, dass Objekte auf unbestimmte Zeit ins Gleichgewicht kommen oder die Energie gleichmäßig verteilen lange Zeit durch quantenmechanische Vermischung mit der Umwelt. Eine ähnliche Entdeckung einige Monate zuvor machte Peter Reimann von der Universität Bielefeld in Deutschland, nachdem er seine Ergebnisse in Physical Review Letters veröffentlicht hatte. Short und Kollegen untermauerten ihren Fall im Jahr 2012, indem sie zeigten, dass Verschränkung das Gleichgewicht in endlicher Zeit induziert. Und in einem Artikel, der im Februar auf dem arXiv veröffentlicht wurde. org, zwei separate Teams haben den nächsten Schritt unternommen und berechnet, dass sich die meisten physischen Systeme schnell in einer Zeit ausgleichen, die direkt proportional zu ihrer Größe ist.„Um zu zeigen, dass dies für unsere reale physische Welt gilt, müssen die Prozesse in einem angemessenen Zeitrahmen stattfinden“, sagt Short.
Die Tendenz, dass Kaffee (und alles andere) ins Gleichgewicht kommt, ist "sehr intuitiv", sagt Nicolas Brunner, Quantenphysiker an der Universität Genf. "Aber wenn wir die Gründe dafür erklären, haben wir zum ersten Mal solide Grundlagen, die die mikroskopische Theorie berücksichtigen."
Werbevideo:
Wenn die neue Forschungsrichtung korrekt ist, beginnt die Geschichte des Zeitpfeils mit der quantenmechanischen Vorstellung, dass die Natur grundsätzlich unbestimmt ist. Ein Elementarteilchen hat keine spezifischen physikalischen Eigenschaften und wird nur durch die Wahrscheinlichkeit bestimmt, in bestimmten Zuständen zu sein. Beispielsweise kann sich ein Partikel zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% im Uhrzeigersinn und mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der experimentell getestete Satz des nordirischen Physikers John Bell besagt, dass es keinen "wahren" Zustand von Teilchen gibt; Wahrscheinlichkeiten sind das einzige, was verwendet werden kann, um es zu beschreiben.
Quantenunsicherheit führt unweigerlich zu Verwirrung - der angeblichen Quelle des Zeitpfeils.
Wenn zwei Teilchen interagieren, können sie nicht mehr durch separate, sich unabhängig entwickelnde Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden, die als "reine Zustände" bezeichnet werden. Stattdessen werden sie zu verschränkten Komponenten einer komplexeren Wahrscheinlichkeitsverteilung, die zwei Teilchen zusammen beschreiben. Sie können beispielsweise anzeigen, dass sich Partikel in entgegengesetzte Richtungen drehen. Das System als Ganzes befindet sich in einem reinen Zustand, aber der Zustand jedes Partikels wird mit dem Zustand des anderen Partikels "gemischt". Beide Partikel können sich mehrere Lichtjahre auseinander bewegen, aber die Rotation eines Partikels korreliert mit dem anderen. Albert Einstein beschrieb es gut als "gruselige Aktion in der Ferne".
"Verschränkung ist gewissermaßen die Essenz der Quantenmechanik" oder die Gesetze, die Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene regeln, sagt Brunner. Dieses Phänomen bildet den Kern des Quantencomputers, der Quantenkryptographie und der Quantenteleportation.
Die Idee, dass Verwirrung den Pfeil der Zeit erklären kann, kam Seth Lloyd vor 30 Jahren in den Sinn, als er ein 23-jähriger Philosophiestudent der Universität Cambridge mit einem Harvard-Abschluss in Physik war. Lloyd erkannte, dass die Quantenunsicherheit und ihre Ausbreitung, wenn sich Teilchen stärker verwickeln, die menschliche Unsicherheit (oder Unwissenheit) in alten klassischen Beweisen ersetzen und zur wahren Quelle des Zeitpfeils werden können.
Mit einem wenig bekannten quantenmechanischen Ansatz, bei dem Informationseinheiten die Grundbausteine sind, untersuchte Lloyd mehrere Jahre lang die Entwicklung von Partikeln im Hinblick auf das Mischen von Einsen und Nullen. Er fand heraus, dass die Informationen, die sie beschrieben (z. B. 1 für die Drehung im Uhrzeigersinn und 0 für die Drehung gegen den Uhrzeigersinn), mit zunehmender Vermischung der Partikel das System der verschränkten Partikel als Ganzes beschreiben werden. Die Teilchen schienen allmählich ihre Unabhängigkeit zu verlieren und wurden zu Bauern des kollektiven Staates. Im Laufe der Zeit werden alle Informationen an diese kollektiven Cluster übertragen, während einzelne Partikel sie überhaupt nicht haben. Zu diesem Zeitpunkt treten die Partikel, wie Lloyd entdeckte, in einen Gleichgewichtszustand ein und ihre Zustände ändern sich nicht mehr, als würde eine Tasse Kaffee auf Raumtemperatur abkühlen.
„Was ist wirklich los? Die Dinge werden immer mehr miteinander verbunden. Der Pfeil der Zeit ist der Pfeil des Wachstums von Korrelationen."
Diese Idee, die 1988 in Lloyd's Doktorarbeit formuliert wurde, blieb unbeachtet. Als der Wissenschaftler einen Artikel darüber an die Redaktion der Zeitschrift schickte, wurde ihm gesagt, dass "diese Arbeit keine Physik enthält". Die Quanteninformationstheorie "war zu dieser Zeit zutiefst unbeliebt", sagt Lloyd, und Fragen zum Pfeil der Zeit "waren die Menge der Psychos und verrückten Nobelpreisträger".
"Ich war verdammt nahe daran, Taxifahrer zu werden", sagte er.
Seitdem haben Fortschritte im Quantencomputer die Quanteninformationstheorie zu einem der aktivsten Bereiche der Physik gemacht. Lloyd ist derzeit Professor am Massachusetts Institute of Technology, er gilt als einer der Begründer dieser Disziplin und seine vergessenen Ideen werden durch die Bemühungen von Physikern aus Bristol wiederbelebt. Die neuen Erkenntnisse sind allgemeiner, sagen Wissenschaftler, und gelten für jedes Quantensystem.
„Als Lloyd in seiner Dissertation auf die Idee kam, war die Welt nicht bereit dafür“, sagt Renato Renner, Leiter des Instituts für Theoretische Physik an der Schweizerischen Hochschule Zürich. - Niemand hat ihn verstanden. Manchmal braucht man Ideen, um zur richtigen Zeit zu kommen."
Im Jahr 2009 fanden Beweise eines Teams von Bristol-Physikern Resonanz bei Quanteninformationstheoretikern, die neue Wege zur Anwendung ihrer Methoden entdeckten. Sie zeigten, dass während Objekte mit ihrer Umgebung interagieren - wie Partikel in einer Tasse Kaffee mit Luft interagieren - Informationen über ihre Eigenschaften "in dieser Umgebung auslaufen und sich ausbreiten", erklärt Popescu. Dieser lokalisierte Informationsverlust führt dazu, dass der Zustand des Kaffees unverändert bleibt, auch wenn sich der saubere Zustand des gesamten Raums weiter ändert. Mit Ausnahme seltener zufälliger Schwankungen sagt der Wissenschaftler: "Sein Zustand ändert sich nicht mehr im Laufe der Zeit."
Es stellt sich heraus, dass sich eine kalte Tasse Kaffee nicht spontan erwärmen kann. Während sich der saubere Zustand eines Raums entwickelt, kann Kaffee plötzlich aus der Luft im Raum entweichen und in einen sauberen Zustand zurückkehren. Aber es gibt viel mehr gemischte Zustände als reine Zustände, und praktisch kann Kaffee niemals in einen reinen Zustand zurückkehren. Um dies zu sehen, müssen wir länger leben als das Universum. Diese statistisch niedrige Wahrscheinlichkeit macht den Zeitpfeil irreversibel. „Das Mischen eröffnet uns im Grunde genommen einen riesigen Raum“, sagt Popescu. - Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Park mit einem Tor vor sich. Sobald Sie sie betreten, sind Sie aus dem Gleichgewicht geraten, befinden sich in einem riesigen Raum und verlieren sich darin. Du wirst niemals zum Tor zurückkehren."
In der neuen Geschichte des Zeitpfeils gehen Informationen im Prozess der Quantenverschränkung verloren, nicht aufgrund des subjektiven Mangels an menschlichem Wissen darüber, was die Tasse Kaffee und den Raum ins Gleichgewicht bringt. Der Raum gleicht sich schließlich mit der Außenseite aus und die Umgebung bewegt sich noch langsamer in Richtung Gleichgewicht mit dem Rest des Universums. Die thermodynamischen Giganten des 19. Jahrhunderts betrachteten diesen Prozess als eine allmähliche Energiedissipation, die die gesamte Entropie oder das Chaos des Universums erhöht. Heute sehen Lloyd, Popescu und andere auf dem Feld den Pfeil der Zeit anders. Ihrer Meinung nach werden Informationen immer diffuser, verschwinden aber nie ganz. Obwohl die Entropie lokal wächst, bleibt die Gesamtentropie des Universums konstant und Null.
"Insgesamt befindet sich das Universum in einem reinen Zustand", sagt Lloyd. "Aber seine einzelnen Teile, die sich mit dem Rest des Universums verflechten, geraten in einen gemischten Zustand."
Ein Rätsel des Zeitpfeils bleibt jedoch ungelöst. „In diesen Arbeiten gibt es nichts, was erklärt, warum Sie am Tor beginnen“, sagt Popescu und kehrt zur Parkanalogie zurück. "Mit anderen Worten, sie erklären nicht, warum der ursprüngliche Zustand des Universums weit vom Gleichgewicht entfernt war." Der Wissenschaftler weist darauf hin, dass sich diese Frage auf die Natur des Urknalls bezieht.
Trotz der jüngsten Fortschritte bei der Berechnung der Äquilibrierungszeit kann der neue Ansatz immer noch kein Werkzeug zur Berechnung der thermodynamischen Eigenschaften bestimmter Dinge wie Kaffee, Glas oder ungewöhnlicher Materiezustände sein. (Einige traditionelle Thermodynamiker sagen, dass sie sehr wenig über den neuen Ansatz wissen.) "Der Punkt ist, man muss Kriterien finden, für die sich Dinge wie Fensterglas verhalten und welche Dinge wie eine Tasse Tee", sagt Renner. "Ich denke, ich werde neue Arbeiten in dieser Richtung sehen, aber es gibt noch viel zu tun."
Einige Forscher haben sich gefragt, ob dieser abstrakte Ansatz zur Thermodynamik jemals genau erklären kann, wie sich bestimmte Observablen verhalten. Aber konzeptionelle Fortschritte und eine Reihe neuer mathematischer Formeln helfen Forschern bereits, theoretische Fragen in der Thermodynamik zu stellen, wie zum Beispiel die grundlegenden Einschränkungen von Quantencomputern und sogar das endgültige Schicksal des Universums.
„Wir denken immer mehr darüber nach, was mit Quantenmaschinen gemacht werden kann“, sagt Paul Skrzypczyk vom Institut für Photonische Wissenschaften in Barcelona. - Nehmen wir an, das System befindet sich noch nicht im Gleichgewicht und wir möchten, dass es funktioniert. Wie viel nützliche Arbeit können wir extrahieren? Wie kann ich eingreifen, um etwas Interessantes zu tun?"
Der Caltech-Kosmologietheoretiker Sean Carroll wendet die neuen Formeln in seiner neuesten Arbeit über den Zeitpfeil in der Kosmologie an. "Ich interessiere mich für das langfristigste Schicksal der kosmologischen Raumzeit", sagt Carroll, der Von der Ewigkeit bis hierher schrieb: Die Suche nach der ultimativen Theorie der Zeit. "In dieser Situation kennen wir immer noch nicht alle notwendigen Gesetze der Physik, daher ist es sinnvoll, sich der abstrakten Ebene zuzuwenden, und hier, denke ich, wird uns dieser quantenmechanische Ansatz helfen."
26 Jahre nach dem Scheitern von Lloyds grandioser Vorstellung vom Pfeil der Zeit genießt er seine Renaissance und versucht, die Ideen der letzten Arbeit auf das Paradox der Information anzuwenden, die in ein Schwarzes Loch fällt. "Ich denke, jetzt werden sie darüber sprechen, dass diese Idee Physik enthält", sagt er.
Und die Philosophie noch mehr.
Laut Wissenschaftlern kann unsere Fähigkeit, sich an die Vergangenheit, aber nicht an die Zukunft zu erinnern, was eine verwirrende Manifestation des Zeitpfeils darstellt, auch als Zunahme der Korrelationen zwischen wechselwirkenden Partikeln angesehen werden. Wenn Sie eine Notiz auf einem Blatt Papier lesen, korreliert das Gehirn mit den Informationen durch Photonen, die in Ihre Augen gelangen. Erst von diesem Moment an können Sie sich daran erinnern, was auf dem Papier steht. Wie Lloyd bemerkt, "kann die Gegenwart als der Prozess der Herstellung von Korrelationen mit unserer Umwelt charakterisiert werden."
Der Hintergrund für das stetige Wachstum des Gewebes im gesamten Universum ist natürlich die Zeit selbst. Die Physiker betonen, dass sie trotz großer Fortschritte beim Verständnis der zeitlichen Veränderungen dem Verständnis der Natur der Zeit selbst oder der Unterschiede zu den anderen drei Raumdimensionen (konzeptionell und in den Gleichungen der Quantenmechanik) nicht einen Schritt näher gekommen sind. … Popescu nennt dieses Rätsel "eines der größten Unbekannten in der Physik".
"Wir können diskutieren, dass unser Gehirn vor einer Stunde in einem Zustand war, der mit weniger Dingen korrelierte", sagt er. „Aber unsere Wahrnehmung, dass die Zeit vergeht, ist eine ganz andere Sache. Höchstwahrscheinlich werden wir eine neue Revolution in der Physik brauchen, die davon erzählen wird."
