Czas jest złudzeniem. Jest efektem ubocznym

Stan splątany to jedno z najbardziej fascynujących i nieintuicyjnych zjawisk w fizyce kwantowej. Wyobraźmy sobie dwie cząstki, które są ze sobą splątane, co oznacza, że stan jednej cząstki jest bezpośrednio związany ze stanem drugiej, niezależnie od odległości między nimi. To trochę jakby każda z cząstek wiedziała, co dzieje się z jej partnerem.

Jeśli zmierzy się stan jednej cząstki natychmiast wiadomy jest stan drugiej, nawet jeśli znajduje się ona po drugiej stronie galaktyki. Nie jest to jednak zwykła komunikacja, ponieważ informacja nie przemieszcza się między cząstkami - zjawisko to zachodzi natychmiastowo, co było dla samego Einsteina źródłem frustracji, gdyż wydawało się to naruszać jego teorię względności, która mówi, że nic nie może podróżować szybciej niż światło.

Czytaj też:

Splątanie kwantowe ma ogromne znaczenie dla nowoczesnych technologii, takich jak komputery kwantowe i kwantowa kryptografia. W komputerach kwantowych splątane cząstki mogą być używane do przeprowadzania obliczeń na wielu stanach jednocześnie, co daje im potencjalną zdolność do rozwiązywania problemów, które są praktycznie niemożliwe do rozwiązania dla klasycznych komputerów. Z kolei w kwantowej kryptografii splątanie jest wykorzystywane do tworzenia niezwykle bezpiecznych połączeń, gdzie każda próba podsłuchu natychmiastowo zmienia stan systemu, alarmując o próbie włamania.

Ogólna teoria względności sformułowana przez Alberta Einsteina to rewolucyjna teoria, która zmieniła rozumienie czasu i przestrzeni przez ludzkość. Według tej teorii czas nie jest stały i niezmienny - jest zmienny i względny, zależny od prędkości obserwatora oraz od obecności masy i energii w przestrzeni.

W ogólnej teorii względności czas postrzegany jest jako wymiar, który jest ściśle powiązany z trzema wymiarami przestrzennymi, tworząc czterowymiarową strukturę zwaną czasoprzestrzenią. Masa i energia powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni, co wpływa na ruch obiektów i bieg czasu. Im większa masa obiektu, tym silniejsze jest jego zakrzywienie czasoprzestrzeni i tym wolniej płynie czas w jego pobliżu.

Jednym z najbardziej znanych efektów wynikających z ogólnej teorii względności jest dylatacja czasu w silnym polu grawitacyjnym, znana jako efekt grawitacyjnego spowolnienia czasu. Zjawisko to zostało potwierdzone eksperymentalnie, na przykład poprzez obserwację zegarów atomowych umieszczonych na różnych wysokościach, które wykazują różnice w tempie biegu czasu. Zegar umieszczony bliżej masywnego obiektu, jak Ziemia, będzie tykał wolniej niż zegar umieszczony dalej.

Ogólna teoria względności ma również znaczące implikacje dla kosmologii i astrofizyki, w tym dla zrozumienia czarnych dziur, które są regionami czasoprzestrzeni o ekstremalnie silnym zakrzywieniu, gdzie czas płynie w sposób znacznie różniący się od tego, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Teoria ta przewiduje również istnienie fal grawitacyjnych, które są zniekształceniami czasoprzestrzeni rozchodzącymi się z prędkością światła, co zostało potwierdzone obserwacjami w 2015 r.

W mechanice kwantowej czas jest traktowany jako parametr ewolucji stanu kwantowego, a nie jako zmienna dynamiczna. Oznacza to, że w równaniach kwantowych czas pojawia się jako niezależna wielkość, która pozwala na opis zmian stanu układu kwantowego. Jednakże w przeciwieństwie do mechaniki klasycznej, mechanika kwantowa nie opisuje trajektorii cząstki w czasie, lecz prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym miejscu i czasie.

Jednym z kluczowych elementów mechaniki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że nie można jednocześnie dokładnie zmierzyć położenia i pędu cząstki. Ma to również implikacje dla pomiaru czasu i energii - im dokładniej znamy jedną z tych wielkości, tym mniej dokładna jest nasza wiedza o drugiej. To prowadzi do wniosku, że czas w mechanice kwantowej ma charakter probabilistyczny, a nie deterministyczny.

Czas w mechanice kwantowej jest również ściśle związany z temperaturą. Zjawisko to jest opisane przez statystyczną mechanikę kwantową, która łączy prawa mechaniki kwantowej z termodynamiką. Na przykład w niskich temperaturach efekty kwantowe stają się bardziej widoczne, a czas może płynąć inaczej dla procesów kwantowych niż dla procesów klasycznych. To pokazuje, że czas w świecie kwantowym jest zjawiskiem złożonym i nadal stanowi przedmiot intensywnych badań naukowych.

Jedno z ostatnich zostało przeprowadzone w poszukiwaniu spójności między światem kwantowym a tym opisanym przez Einsteina. Poddano próbie pomysł z lat 80. XX wieku, u którego podstaw leży sugestia, że kiedy obiekt zmienia się w czasie, dzieje się tak tylko dlatego, że obiekt ten jest splątany z zegarem. Oznacza to, że prawdziwie zewnętrzny obserwator stojący poza splątanym układem zobaczyłby całkowicie statyczny, niezmienny wszechświat.

W tym ujęciu czas nie jest czymś danym, lecz jedynie konsekwencją splątania. W swoim modelu matematycznym uczeni przedstawili zegar jako układ teoretycznych maleńkich magnesów splątanych z oscylatorem kwantowym. Naukowcy wybrali je jako modele, ponieważ są dobrze poznane matematycznie, dzięki czemu stworzyli klarowny teoretyczny przypadek testowy i przygotowali grunt pod ewentualne późniejsze testy. Odkryli, że ich system można opisać wersją słynnego równania Schrödingera, które służy do przewidywania zachowania cząstek kwantowych. Z jedną zasadniczą różnicą - tam, gdzie równanie Schrödingera zawierałoby zmienną, którą nazywamy czasem, nowe równanie zawierało zmienną, która wylicza stany kwantowe magnesów.

Doświadczenie skutecznie wykazało ich rację. Ich równania okazały się równie pewne, co te, których fizycy używali od XIX wieku do przewidywania zachowania klasycznych obiektów tak prostych, jak toczące się kule do kręgli. A zmienna, która oznaczała każdy etap zachowania oscylatora, była produktem ubocznym splątania kwantowego.

To również oznacza, że obserwator we wszechświecie pozbawionym splątania - jak sugerują niektóre teorie - nie dostrzegłby żadnych zmian, wszystko byłoby statyczne. Przeprowadzone badanie jest jednak dalekie od bycia kompletnym. Założono w nim, że dwa splątane systemy nie oddziałują na siebie - co niezupełnie jest naturalnym przykładym. Być może zegar i inny obiekt będą musiały wejść w interakcję, aby w ogóle doszło do splątania.

Świat nauki nie zamierza jednak poprzestawać a autorzy badania - uczeni z włoskiego narodowego centrum naukowego – już zapowiadają kolejne eksperymenty.