Categorieën
Astronomie Nieuwe ontdekkingen

Tijdspijl getraceerd naar quantumbron.

Martin Knops:

Het nu volgende artikel dat gepubliceerd werd op: QuantumMagazine.org gaat in op een nieuwe theorie die een verklaring geeft op de schijnbare onomkeerbare pijl van de tijd en inzichten levert over entropie en kwantumcomputers, zwarte gaten en de kloof tussen verleden en toekomst.

Het is een lastig begrip toekomst, verleden en tijd. Maar wel een essentieel onderwerp in de astronomie, natuurkunde en de theoretische fysica. Het zijn begrippen die de wetenschap tot nu toe nog niet heeft kunnen omvatten in een aannemelijke theorie. De kwantummechanica vormt in de hier beschreven theorie een belangrijk basis voor deze nieuwe theorie.

Wetenschappers verwachten dat, o.a. de Quantumtheorie en ontwikkelingen in de artificial intelligence, in de toekomst zeer belangrijk zullen zijn voor de verdere ontwikkeling van onze natuurkundige basis theorieën.

Het is een pittig en vrij diepgaand artikel, maar met enige basiskennis op dit terrein goed leesbaar. Bij sommige delen in het artikel wordt het lastig zonder wetenschappelijke kennis. Maar de strekking van het onderwerp is goed te begrijpen.

Een citaat uit het artikel:

Citaat

Koffie koelt af, gebouwen brokkelen af, eieren breken en sterren barsten uit in een universum dat voorbestemd lijkt te zijn om af te breken in een staat van uniforme saaiheid die bekend staat als thermisch evenwicht.
De astronoom-filosoof Sir Arthur Eddington noemde in 1927 de geleidelijke verspreiding van energie als bewijs van een onomkeerbare ‘pijl van de tijd’.
Maar tot verbijstering van generaties natuurkundigen lijkt de pijl van de tijd niet te volgen uit de onderliggende wetten van de fysica, die in de toekomst in de tijd hetzelfde werken als omgekeerd.
Volgens die wetten leek het erop dat als iemand de paden van alle deeltjes in het universum kende en ze omkeerde, energie zich zou ophopen in plaats van verspreiden: Lauwe koffie zou spontaan opwarmen, gebouwen zouden opstaan uit hun puin en zonlicht zou terug in de zon slinken.

Kopjes koffie koel, gebouwen brokkelen af en sterren barsten uit, zeggen natuurkundigen, vanwege een vreemd kwantumeffect dat “verstrengeling” wordt genoemd.
SteGrifo

Koffie koelt af, gebouwen brokkelen af, eieren breken en sterren barsten uit in een universum dat voorbestemd lijkt te zijn om af te breken in een staat van uniforme saaiheid die bekend staat als thermisch evenwicht. De astronoom-filosoof Sir Arthur Eddington noemde in 1927 de geleidelijke verspreiding van energie als bewijs van een onomkeerbare ‘pijl van de tijd’.

Maar tot verbijstering van generaties natuurkundigen lijkt de pijl van de tijd niet te volgen uit de onderliggende wetten van de fysica, die in de toekomst in de tijd hetzelfde werken als omgekeerd. Volgens die wetten leek het erop dat als iemand de paden van alle deeltjes in het universum kende en ze omkeerde, energie zich zou ophopen in plaats van verspreiden: Lauwe koffie zou spontaan opwarmen, gebouwen zouden opstaan uit hun puin en zonlicht zou terug in de zon slinken.

“In de klassieke natuurkunde hadden we het moeilijk”, zegt Sandu Popescu, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk. “Als ik meer wist, zou ik dan de gebeurtenis kunnen omkeren, alle moleculen van het ei dat brak in elkaar zetten? Waarom ben ik relevant?”

Zeker, zei hij, de pijl van de tijd wordt niet gestuurd door menselijke onwetendheid. En toch, sinds de geboorte van de thermodynamica in de jaren 1850, was de enige bekende benadering voor het berekenen van de verspreiding van energie het formuleren van statistische verdelingen van de onbekende trajecten van deeltjes, en laten zien dat, na verloop van tijd, de onwetendheid de dingen uitsmeerde.

Nu ontmaskeren natuurkundigen een fundamentelere bron voor de pijl van de tijd: energie verspreidt zich en objecten worden gelijk, zeggen ze, vanwege de manier waarop elementaire deeltjes met elkaar verweven raken wanneer ze interageren – een vreemd effect dat “kwantumverstrengeling” wordt genoemd.

“Eindelijk kunnen we begrijpen waarom een kopje koffie in een kamer equilibreert”, zegt Tony Short, een kwantumfysicus in Bristol. “Verstrengeling bouwt zich op tussen de staat van de koffiekop en de staat van de kamer.”

Een keerpunt van Noah Linden, links, Sandu Popescu, Tony Short en Andreas Winter (niet afgebeeld) in 2009 toonde aan dat verstrengeling ervoor zorgt dat objecten evolueren naar evenwicht.
De algemeenheid van het bewijs is “buitengewoon verrassend”, zegt Popescu.
“Het feit dat een systeem in evenwicht is, is universeel.”
Het artikel leidde tot verder onderzoek naar de rol van verstrengeling bij het sturen van de pijl van de tijd.
Met dank aan Tony Short

Popescu, Short en hun collega’s Noah Linden en Andreas Winter rapporteerden de ontdekking in het tijdschrift Physical Review E in 2009, met het argument dat objecten binnen een oneindige hoeveelheid tijd in evenwicht raken, of een toestand van uniforme energieverdeling, door mechanisch verstrikt te raken in hun omgeving. Vergelijkbare resultaten van Peter Reimann van de Universiteit van Bielefeld in Duitsland verschenen enkele maanden eerder in Physical Review Letters. Short en een medewerker versterkten het argument in 2012 door aan te tonen dat verstrengeling equilibratie binnen een eindige tijd veroorzaakt. En in het werk dat in februari arXiv.org op de wetenschappelijke voordruksite werd geplaatst, hebben twee afzonderlijke groepen de volgende stapgezet , berekenend dat de meeste fysieke systemen snel equilibreren, op tijdschalen die evenredig zijn met hun grootte. “Om aan te tonen dat het relevant is voor onze fysieke wereld, moeten de processen op redelijke termijnen plaatsvinden,” zei Short.

De neiging van koffie – en al het andere – om evenwicht te bereiken is “zeer intuïtief”, zei Nicolas Brunner, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Genève. “Maar als het gaat om het uitleggen waarom het gebeurt, is dit de eerste keer dat het op vaste gronden is afgeleid door een microscopische theorie te overwegen.”

Als de nieuwe onderzoekslijn juist is, begint het verhaal van de pijl van de tijd met het kwantummechanische idee dat de natuur diep van binnen inherent onzeker is. Een elementair deeltje mist bepaalde fysische eigenschappen en wordt alleen gedefinieerd door de waarschijnlijkheid om in verschillende toestanden te zijn. Op een bepaald moment kan een deeltje bijvoorbeeld een kans van 50 procent hebben om met de klok mee te draaien en een kans van 50 procent om tegen de klok in te draaien. Een experimenteel geteste stelling van de Noord-Ierse natuurkundige John Bell zegt dat er geen “ware” toestand van het deeltje is; de waarschijnlijkheden zijn de enige realiteit die eraan kan worden toegeschreven.

Kwantumonzekerheid leidt dan tot verstrengeling, de putatieve bron van de pijl van de tijd.

Wanneer twee deeltjes met elkaar interageren, kunnen ze niet eens meer worden beschreven door hun eigen, onafhankelijk evoluerende waarschijnlijkheden, “zuivere toestanden” genoemd. In plaats daarvan worden ze verstrengelde componenten van een meer gecompliceerde waarschijnlijkheidsverdeling die beide deeltjes samen beschrijft. Het kan bijvoorbeeld dicteren dat de deeltjes in tegengestelde richting draaien. Het systeem als geheel is in een zuivere staat, maar de toestand van elk individueel deeltje is “gemengd” met die van zijn kennis. De twee zouden lichtjaren uit elkaar kunnen reizen, en de draai van elk zou gecorreleerd blijven met die van de andere, een eigenschap die Albert Einstein beroemd beschreef als “griezelige actie op afstand.”.

“Verstrengeling is in zekere zin de essentie van de kwantummechanica,” of de wetten die interacties op de subatomaire schaal regelen, zei Brunner. Het fenomeen ligt ten grondslag aan quantumcomputing, kwantumcryptografie en kwantumteleportatie.

Seth Lloyd, nu een MIT-professor, kwam op het idee dat verstrengeling de pijl van de tijd zou kunnen verklaren toen hij in de jaren tachtig afstudeerde aan de Universiteit van Cambridge.
Met dank aan Seth Lloyd

Het idee dat verstrengeling de pijl van de tijd zou kunnen verklaren, kwam ongeveer 30 jaar geleden voor het eerst voor bij Seth Lloyd, toen hij een 23-jarige afgestudeerde filosofiestudent was aan de Universiteit van Cambridge met een Harvard-natuurkundediploma. Lloyd realiseerde zich dat kwantumonzekerheid, en de manier waarop het zich verspreidt naarmate deeltjes steeds meer verstrikt raken, de menselijke onzekerheid in de oude klassieke bewijzen zou kunnen vervangen als de ware bron van de pijl van de tijd.

Met behulp van een obscure benadering van de kwantummechanica die informatie-eenheden als basisbouwstenen behandelde, bestudeerde Lloyd enkele jaren de evolutie van deeltjes in termen van het schudden van 1s en 0s. Hij ontdekte dat naarmate de deeltjes steeds meer met elkaar verstrikt raakten, de informatie die ze oorspronkelijk beschreef (een “1” voor met de klok mee draaien en een “0” voor tegen de klok in, bijvoorbeeld) zou verschuiven om het systeem van verstrengelde deeltjes als geheel te beschrijven. Het was alsof de deeltjes geleidelijk hun individuele autonomie verloren en pionnen van de collectieve staat werden. Uiteindelijk bevatten de correlaties alle informatie, en de afzonderlijke deeltjes bevatten er geen. Op dat moment, ontdekte Lloyd, kwamen deeltjes in een staat van evenwicht, en hun toestand veranderde niet meer, zoals koffie die is afgekoeld tot kamertemperatuur.

“Wat er echt aan de hand is, is dat de dingen steeds meer met elkaar gecorreleerd worden”, herinnert Lloyd zich. “De pijl van de tijd is een pijl van toenemende correlaties.”

Het idee, gepresenteerd in zijn proefschrift uit 1988,viel op dovemansoren. Toen hij het aan een tijdschrift voorleverde, kreeg hij te horen dat er “geen fysica in dit artikel” stond. Kwantuminformatietheorie “was destijds zeer impopulair”, zei Lloyd, en vragen over de pijl van de tijd “waren voor crackpots en Nobelprijswinnaars die zacht in het hoofd zijn geworden”, herinnert hij zich een natuurkundige die het hem vertelde.

“Ik was verdomd dicht bij het besturen van een taxi,” zei Lloyd.

De vooruitgang in quantumcomputing heeft sindsdien de kwantuminformatietheorie veranderd in een van de meest actieve takken van de natuurkunde. Lloyd is nu professor aan het Massachusetts Institute of Technology, erkend als een van de grondleggers van de discipline, en zijn over het hoofd geziene idee is in een sterkere vorm opgedoken in de handen van de fysici van Bristol. De nieuwere bewijzen zijn algemener, zeggen onderzoekers, en houden vrijwel elk kwantumsysteem vast.

“Toen Lloyd het idee in zijn proefschrift voorstelde, was de wereld er nog niet klaar voor”, zegt Renato Renner, hoofd van het Institute for Theoretical Physics aan de ETH Zürich. “Niemand begreep het. Soms moet je het idee op het juiste moment hebben.”

Als een hete kop koffie in evenwicht is met de omringende lucht, werken koffiedeeltjes (wit) en luchtdeeltjes (bruin) samen en worden verstrengelde mengsels van bruine en witte toestanden.
Na enige tijd zijn de meeste deeltjes in de koffie gecorreleerd met luchtdeeltjes;
de koffie heeft een thermisch evenwicht bereikt.
Lidia van Rio

In 2009 resoneerde het bewijs van de Bristol-groep met kwantuminformatietheorien, waardoor ze nieuwe toepassingen voor hun technieken openden. Het toonde aan dat als objecten interageren met hun omgeving – zoals de deeltjes in een kopje koffie botsen met de lucht, bijvoorbeeld – informatie over hun eigenschappen “uitlekt en over de hele omgeving wordt besmeurd”, legde Popescu uit. Dit lokale informatieverlies zorgt ervoor dat de staat van de koffie stagneert, zelfs als de pure staat van de hele kamer blijft evolueren. Behalve zeldzame, willekeurige fluctuaties, zei hij, “de toestand verandert niet meer in de tijd.”

Bijgevolg warmt een lauw kopje koffie niet spontaan op. In principe, naarmate de zuivere toestand van de kamer evolueert, kan de koffie plotseling uit de lucht worden vermengd en een eigen zuivere staat ingaan. Maar er zijn zoveel meer gemengde staten dan zuivere toestanden beschikbaar voor de koffie dat dit praktisch nooit gebeurt – men zou het universum moeten overleven om er getuige van te zijn. Deze statistische onwaarschijnlijkheid geeft de pijl van de tijd het uiterlijk van onomkeerbaarheid. “In wezen opent verstrengeling een zeer grote ruimte voor je,” zei Popescu. “Het is alsof je in het park bent en je begint naast de poort, verre van evenwicht. Dan kom je binnen en heb je een enorme plek en verdwaal je erin. En je komt nooit meer terug naar de poort.

In het nieuwe verhaal van de pijl van de tijd is het het verlies van informatie door kwantumverstrengeling, in plaats van een subjectief gebrek aan menselijke kennis, dat een kopje koffie in evenwicht brengt met de omringende kamer. De ruimte komt uiteindelijk in evenwicht met de buitenwereld en de omgeving drijft nog langzamer naar evenwicht met de rest van het universum. De reuzen van de 19e-eeuwse thermodynamica zagen dit proces als een geleidelijke verspreiding van energie die de algehele entropie, of wanorde, van het universum verhoogt. Vandaag de dag zien Lloyd, Popescu en anderen in hun vakgebied de pijl van de tijd anders. In hun ogen wordt informatie steeds diffuuser, maar verdwijnt het nooit volledig. Dus, beweren ze, hoewel entropie lokaal toeneemt, blijft de algehele entropie van het universum constant op nul.

“Het universum als geheel is in een zuivere staat,” zei Lloyd. “Maar individuele stukken ervan, omdat ze verstrikt zijn geraakt in de rest van het universum, zijn in mengsels.”

Een aspect van de pijl van de tijd blijft onopgelost. “Er is niets in deze werken om te zeggen waarom je bij de poort bent begonnen,” zei Popescu, verwijzend naar de analogie van het park. “Met andere woorden, ze verklaren niet waarom de oorspronkelijke toestand van het universum verre van evenwicht was.” Hij zei dat dit een vraag is over de aard van de oerknal.

Ondanks de recente vooruitgang bij het berekenen van equivalentietijdschalen, moet de nieuwe aanpak nog vooruitgang boeken als hulpmiddel voor het ontleden van de thermodynamische eigenschappen van specifieke dingen, zoals koffie, glas of exotische toestanden van materie. (Verschillende traditionele thermodynamici meldden slechts vaag op de hoogte te zijn van de nieuwe aanpak.) “Het punt is om de criteria te vinden waarvoor dingen zich gedragen als raamglas en welke dingen zich gedragen als een kopje thee,” zei Renner. “Ik zou de nieuwe papers zien als een stap in die richting, maar er moet nog veel meer gebeuren.”

Sommige onderzoekers betwijfelden of deze abstracte benadering van de thermodynamica ooit de taak aankan om de “harde kern van hoe specifieke waarneembare dingen zich gedragen” aan te pakken, zoals Lloyd het zei. Maar de conceptuele vooruitgang en het nieuwe wiskundige formalisme helpen onderzoekers al om theoretische vragen over thermodynamica aan te pakken, zoals de fundamentele grenzen van kwantumcomputers en zelfs het uiteindelijke lot van het universum.

“We hebben steeds meer nagedacht over wat we met quantummachines kunnen doen”, zegt Paul Skrzypczykvan het Institute of Photonic Sciences in Barcelona. “Gezien het feit dat een systeem nog niet in evenwicht is, willen we er werk uit halen. Hoeveel nuttig werk kunnen we doen? Hoe kan ik ingrijpen om iets interessants te doen?”

Sean Carroll, een theoretische kosmoloog aan het California Institute of Technology, gebruikt het nieuwe formalisme in zijn nieuwste werk over de pijl van de tijd in de kosmologie. “Ik ben geïnteresseerd in het ultra-lange termijn lot van kosmologische ruimte-tijden,” zei Carroll, auteur van “From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time.” “Dat is een situatie waarin we niet echt alle relevante natuurwetten kennen, dus het is logisch om op een zeer abstract niveau te denken, daarom vond ik deze fundamentele kwantummechanische behandeling nuttig.”

Zesentwintig jaar nadat Lloyd’s grote idee over de pijl van de tijd plat viel, is hij blij om getuige te zijn van de opkomst ervan en past hij de ideeën toe in recent werk over de informatieparadoxvan het zwarte gat . “Ik denk dat nu de consensus zou zijn dat hier fysica in zit,” zei hij.

Om nog maar te zwijgen van een beetje filosofie.

Volgens de wetenschappers kan ons vermogen om het verleden te herinneren, maar niet de toekomst, een andere historisch verwarrende manifestatie van de pijl van de tijd, ook worden begrepen als een opeenhoping van correlaties tussen interagerende deeltjes. Wanneer je een bericht op een stuk papier leest, worden je hersenen ermee gecorreleerd door de fotonen die je ogen bereiken. Pas vanaf dat moment ben je in staat om je te herinneren wat de boodschap zegt. Zoals Lloyd het zei: “Het heden kan worden gedefinieerd door het proces om gecorreleerd te worden met onze omgeving.”

De achtergrond voor de gestage groei van verstrengeling in het hele universum is natuurlijk de tijd zelf. De natuurkundigen benadrukken dat ze, ondanks grote vooruitgang in het begrijpen van hoe veranderingen in de tijd plaatsvinden, geen vooruitgang hebben geboekt bij het blootleggen van de aard van de tijd zelf of waarom deze anders lijkt (zowel perceptueel als in de vergelijkingen van de kwantummechanica) dan de drie dimensies van de ruimte. Popescu noemt dit ‘een van de grootste onbekenden in de natuurkunde’.

“We kunnen bespreken dat een uur geleden onze hersenen in een toestand waren die gecorreleerd was met minder dingen,” zei hij. “Maar onze perceptie dat de tijd stroomt – dat is een totaal andere zaak. Hoogstwaarschijnlijk zullen we een nieuwe revolutie in de natuurkunde nodig hebben die ons daarover zal vertellen.”

Dit artikel is herdrukt op Wired.com.

Auteur: Natalie Wolchover, senior Schrijver/redacteur.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.