От студено в топло, от счупено - цяло: Обърква ли паметта ни квантовата механика?

П редставете си как студена чаша кафе се затопля спонтанно, докато гледате. Или напукано стъкло внезапно се оправи пред очите ви. Според физика Лоренцо Маконе от Масачузетския технологичен институт, виждате такива неща през цялото време - просто не си спомняте.

Is quantum mechanics messing with your memory? https://t.co/ew9xdZKkrn pic.twitter.com/MT2yXrdHFj

— Luca de Ioanna (@io_luca) December 29, 2015

В статия, публикувана във Physical Review Letters, той се опитва да предостави решение на феномена наречен мистерията на "стрелата на времето".

Накратко, законите на физиката са симетрични или „инвариантни на обръщането на времето“ - те се прилагат еднакво добре, ако времето тече напред или назад - но повечето от ежедневните явления, които наблюдаваме, като изстиването на горещо кафе, не са. Изглежда така сякаш те никога не се случват в обратен ред.

Законът, който описва тези ежедневни явления се нарича „втори закон на термодинамиката“. Той ни казва, че "ентропията" (степента на смущение/безпорядъка в една затворена, термодинамична система) никога не намалява. Грубо казано, процес, при който ентропията се увеличава, е процес, при който системата става все по-неподредена. Прозорците се чупят, като по този начин се увеличава безпорядъкът, но няма да се "отсчупят" спонтанно. Газовете ще се разпръснат, но няма да се компресират спонтанно.

Ентропията обаче описва какво се случва с голям брой частици. Предполагаме, че тя зависи от това, което се случва с отделните частици, но всички закони, които управляват поведението на отделните частици, са инвариантни на обръщането на времето. Това означава, че всеки процес, който допускат да се случи в едната посока на времето, те позволяват да се случии и в другата.

Така че защо кафето ви спонтанно ще се охлади, но няма да се затопли?

"The idea of using retrocausality to change the past from the future is a controversial concept in physics that challenges traditional notions of causality and the arrow of time.

Retrocausality suggests that events in the future can affect events in the present and even in..." pic.twitter.com/EjkJR4pJ03

— Dr. Elden Wayne Whalen III, ShD (@wayne_effect) August 15, 2023

Според Маконе, събития намаляващи ентропията, се случват през цялото време - така че няма асиметрия и свързана мистерия около „стрелата на времето“.

Той твърди, че квантовата механика ни казва, че ако някой наблюдава събитие, намаляващо ентропията, неговите спомени за събитието „ще бъдат изтрити по необходимост“.

„Това, което предполагам е, че спомените се формират и след това се изтриват“, каза Маконе.

„Когато наблюдавате която и да е система, вие влизате в "квантово заплитане" с нея. Това означава, че вие и системата сте „заплетени“ и не можете да бъдете разглеждани поотделно“, допълни той.

Заплитането, казва Маконе, се случва между вашата памет и системата. "Процесът на разплитане ще изтрие заплитането, а именно паметта на наблюдателя". Неговата статия извежда това заключение математически.

Въпреки че не можем да си спомним как чашите ни с кафе се затоплят, поради което и не можем да ги изучаваме, Маконе смята, че подобни събития, намаляващи ентропията се случват.

Recently published in Quantum: When does a particle arrive? by Simone Roncallo, Krzysztof Sacha, and Lorenzo Maccone https://t.co/YnHzbaVnkH pic.twitter.com/7OAanViJGU

— Quantum (@quantumjournal) April 2, 2023

"Ако се появят трансформации, които увеличават ентропията чрез симетрия - и сме сигурни, че се случват - трябва да очакваме и трансформации, които намаляват ентропията - но няма да можем да ги видим."

Един проблем, който Маконе признава е, че не може да докаже, че събития, намаляващи ентропията наистина се случват. По-скоро казва, че ако се случат, няма да ги помним.

Някои притеснения относно симетрията го карат да заключи, че те всъщност би трябвало да се случват. Статистически обаче е много (много, много много) малко вероятно ентропията на една макроскопична система да намалее.

Всичко се свежда до начина, по който се движат частиците. В газ, например, има много по-малко начини, по които частиците да бъдат в състояние на по-ниска ентропия, отколкото да бъдат в състояние на по-висока ентропия. Така че най-вероятното състояние преди или след това е с по-висока ентропия - просто защото има много повече такива състояния, които системата да заема.

Важно е, че статистиката не предсказва асиметрия, защото предполага, че ентропията не трябва да намалява нито към миналото, нито към бъдещето.

Загадката на „стрелата на времето“ се поражда от това, че ентропията всъщност нараства само към бъдещето и съответно намалява към миналото, въпреки прогнозите на статистиката. И тук въпросът е защо това се случва?

Маконе казва, че "би трябвало да очакваме" ентропията да намалява и към бъдещето, тъй като процесът се случват към миналото. Статистиката обаче ни показва, че не трябва да очакваме подобно нещо. Изключително изненадващо е, че се случва към миналото и би било двойно по-изненадващо, ако се случва и към бъдещето. Симетрията не е причина да очакваме нещо, което знаем, че статистически е изключително малко вероятно.

Хю Прайс, ръководител на Центъра за време в университета в Сидни, смята, че Маконе просто е разменил една мистерия за друга.

„Предложението да се обясни термодинамичната стрела от гледна точка на [квантовите] ефекти на наблюдателите има очевиден недостатък“, казва той. „Това не обяснява защо всички наблюдатели имат една и съща ориентация във времето... Защо някои наблюдатели не помнят това, което наричаме бъдеще, и не им предстои да натрупат информация за това, което наричаме минало?“

Стандартното обяснение за това защо наблюдатели като нас си спомнят миналото е като се позоваваме на термодинамиката - ентропията нараства. Това обяснение обаче не е достатъчно за Маконе, тъй като неговата теория приема, че този термодинамичен факт зависи от съществуването на наблюдатели. За него подобно явление би се случвало и в двете посоки, би имало кръгов характер.

Ако Прайс е прав, тогава Маконе е обяснил една времева асиметрия за сметка на създаването на друга, която е също толкова трудна за обяснение.

Нещо повече, Прайс смята, че Маконе е направил скрито асиметрично предположение. Той твърди, че квантовите корелации, на които Маконе разчита, трябва да се приеме, че се случват само в една времева посока, но не и в другата.

Не е ясно дали Маконе е разгадал мистерията на „стрелата на времето“. Но би било хубаво, ако чашата ни студено кафе може да се затопли сама. Пък, кой би го интересувало толкова дали си спомняме, че се е случило, или не.