Czy oznacza to, że oszalałem? Dlaczego czas zdaje się płynąć „do przodu”? Niektórzy mogliby odpowiedzieć, że upuszczona szklanka musi się stłuc, a nie dążyć do uporządkowania, opierając się na zasadzie wzrostu entropii. Oczywiście mają rację, ale jednocześnie… prawa fizyki nie definiują kierunku upływu czasu. Jest jeden naukowiec, który podjął te zagadnienia i zamierza badać je dalej.
Jim Al-Khalili sugeruje, że odpowiedzią mogą być zjawiska splątania kwantowego oraz nieodwracalna utrata możliwości na poziomie kwantowym. Najczęściej kierunek czasu tłumaczy się drugą zasadą termodynamiki, mówiącą, że entropia w izolowanym układzie nie maleje. Jednak Al-Khalili proponuje w swojej książce „On Time”, aby podejść do tej kwestii z perspektywy mechaniki kwantowej. W takim ujęciu kierunek „strzałki” czasu może być fundamentalną cechą Wszechświata, której źródłem jest rosnące splątanie i dekoherencja.
Entropia mówi o kierunku czasu, ale czy jest jego przyczyną?
Powracając do nieszczęsnej szklanki: przecież nie złoży się ona sama, mimo że teoretycznie taka możliwość istnieje. Oczywiście jest niezwykle mało prawdopodobne, że stłuczona szklanka samorzutnie osiągnie stan sprzed upadku, ale prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest skrajnie niskie i, w praktyce, praktycznie niemożliwe.
Wszystko to odnosi się do termodynamicznej strzałki czasu, która wskazuje na wzrost entropii (chaosu), rozumianej w uproszczeniu jako liczba możliwych mikroskopowych konfiguracji układu. Cofnięcie procesu wymagałoby niezwykle precyzyjnego odtworzenia ruchu wszystkich cząstek biorących udział w procesie, co czyni to zadanie skrajnie trudnym i same w sobie wskazuje na kierunek upływu czasu. Druga zasada termodynamiki, w związku z tym, wprost informuje nas o tym, jak czas płynie. Jednak Al-Khalili wskazuje, że za tym może kryć się coś bardziej „fundamentalnego” w obszarze kwantów.
Możliwe, że odpowiedzią na jego wątpliwości jest splątanie kwantowe – zjawisko, w którym stany oddziałujących ze sobą obiektów są ze sobą związane. W takim stanie cząstka lub układ nie funkcjonuje jako całkowicie niezależna jednostka, ponieważ informacje o jej stanie nie mogą być wyodrębnione z reszty układu. W miarę kolejnych interakcji, sieć takich zależności obejmuje coraz większą część otaczającego środowiska. Dla obserwatora wewnątrz Wszechświata splątanie tylko wzrasta. Tak właśnie, według Al-Khaliliego, może być nadajne fizycznym zdarzeniom pewne uporządkowanie, które odczuwamy jako upływ czasu.
Dekoherencja jako niewykorzystane możliwości
Układ kwantowy może istnieć w superpozycji, co oznacza, że może reprezentować kombinację kilku możliwych stanów, dopóki nie dojdzie do interakcji z otoczeniem, co prowadzi do dekoherencji. Pomiar dokonuje splątania z detektorem, promieniowaniem, a nawet cząstkami powietrza: są to elementy świata makro. W ten sposób powstaje dekoherencja: zależności między składnikami superpozycji rozpraszają się w środowisku i stają się niedostępne dla obserwatora. Nie jest tak, że po otwarciu pudełka z martwym kotem Schrödingera, można je z powrotem zamknąć i ożywić to zwierzę. Informacje o wyniku zostały już zapisane w ogromnej liczbie stopni swobody otoczenia.
Warto jednak zaznaczyć, że „obserwacja” wcale nie oznacza, że musi w niej uczestniczyć człowiek; nasze rozumienie tego terminu jest silnie związane z „obserwatorem”, który spogląda na układ i stwierdza, że wygląda on w określony sposób. Dekoherencja nie wymaga obecności człowieka, aparatury ani nawet intencji przeprowadzenia „pomiaru”. Rolę środowiska mogą pełnić nawet cząsteczki powietrza, które wchodzą w interakcję z elementami układu. Ich stan zaczyna przechowywać informacje o tej interakcji, chociaż nikt nie będzie w stanie ich wydobyć czy odczytać. Kontakt fizyczny sprawia, że kwantowe alternatywy stają się dla „obserwatora” niedostępne, gdyż zostały już zapisane w splątaniu.
Co z wieloświatem i innymi rzeczywistościami?
To wszystko ma ważne implikacje dla interpretacji idei wieloświatu, którą można zdefiniować jako koncepcję mówiącą, że wszystkie dopuszczalne wyniki zdarzenia kwantowego realizują się w oddzielnych gałęziach rzeczywistości, które mogą istnieć pomiędzy różnymi wersjami. Al-Khalili odcina się od fantazji o swobodnym przeskakiwaniu między wersjami tego samego życia. Człowiek, jego ciało oraz otoczenie są już splątane z własną historią w niewyobrażalnie dużej liczbie interakcji, co czyni odizolowanie układu od każdej z nich niemożliwym. Fizyka, zgodnie z obowiązującymi zasadami, nie przewiduje takiego scenariusza.
Czytaj również: Tego o Słońcu dotychczas nie wiedzieliśmy. LOFAR dostarcza nam istotnych danych
Inaczej wygląda sytuacja z podróżami w czasie. Ogólna teoria względności pozwala na istnienie m.in. tuneli czasoprzestrzennych oraz krzywych czasopodobnych: trajektorii w czasoprzestrzeni prowadzących obiekt z powrotem do jego przeszłości. Stworzenie takiej pętli mogłoby wymagać tunelu czasoprzestrzennego, ujemnej energii oraz opanowania teorii grawitacji kwantowej, o której niewiele do tej pory wiemy. Fizycy sądzą, że jeszcze nieodkryte właściwości tych zjawisk ostatecznie zablokują taką możliwość, aczkolwiek, jak na razie, równania uznawane w nauce tego nie wykluczają.
Może się jednak zdarzyć, że Al-Khalili się myli, a istnieje coś, co zmieni nasze pojmowanie kierunku czasu: w obecnej sytuacji jest to tak samo prawdopodobne jak to, że ma rację. Dopóki tego nie sprawdzimy, znajduje się to w formie naukowego kota Schrödingera. Ironiczne, ale ładne porównanie!