Υπάρχουν στιγμές στην επιστήμη που δεν αλλάζουν απλώς τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε ένα φυσικό φαινόμενο· ανοίγουν ρωγμές στην ίδια την καθημερινή μας αντίληψη για την πραγματικότητα. Μία από αυτές τις στιγμές ήταν η ανακοίνωση μιας ομάδας ερευνητών ότι κατάφερε, έστω για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα και μέσα σε αυστηρά ελεγχόμενο κβαντικό περιβάλλον, να κάνει κάτι που μοιάζει σχεδόν αδιανόητο: να αντιστρέψει την εξέλιξη μιας κβαντικής κατάστασης και να την οδηγήσει πίσω σε προηγούμενη μορφή της.
Δεν πρόκειται για «χρονομηχανή» με την έννοια που γνωρίζουμε από την επιστημονική φαντασία. Δεν γύρισε ένας άνθρωπος στο παρελθόν, δεν άλλαξε κάποιο ιστορικό γεγονός, δεν άνοιξε πύλη στον χρόνο. Αυτό που συνέβη ήταν πολύ πιο λεπτό, πολύ πιο επιστημονικό και ίσως γι’ αυτό πολύ πιο εντυπωσιακό: μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή, οι ερευνητές πέτυχαν να αντιστρέψουν προσωρινά την πορεία μιας κβαντικής κατάστασης, σαν να ανάγκασαν ένα μικροσκοπικό σύστημα να κινηθεί από την αταξία ξανά προς την τάξη. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας, σε συνεργασία με επιστήμονες από τις ΗΠΑ και την Ελβετία, και δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Scientific Reports.
Η σημασία του πειράματος βρίσκεται στο ότι αγγίζει ένα από τα μεγαλύτερα και βαθύτερα ερωτήματα της φυσικής: γιατί ο χρόνος φαίνεται να κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση; Γιατί θυμόμαστε το παρελθόν και όχι το μέλλον; Γιατί ένα ποτήρι που σπάει δεν ξανασυναρμολογείται μόνο του; Γιατί η τάξη τείνει να γίνεται αταξία, αλλά η αταξία σπάνια επιστρέφει αυθόρμητα σε τάξη; Αυτό είναι το λεγόμενο βέλος του χρόνου, μία έννοια στενά δεμένη με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Το πείραμα που προκάλεσε αίσθηση
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό υπολογιστή και έναν ειδικό αλγόριθμο, ο οποίος σχεδιάστηκε για να αντιστρέψει την εξέλιξη μιας κβαντικής κατάστασης. Με πιο απλά λόγια, πήραν ένα μικροσκοπικό σύστημα πληροφορίας, το άφησαν να εξελιχθεί προς μια πιο σύνθετη ή πιο «χαοτική» κατάσταση και στη συνέχεια εφάρμοσαν μια διαδικασία που το οδήγησε πίσω, πιο κοντά στην αρχική του μορφή.
Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό, γιατί στην καθημερινή φυσική πραγματικότητα τα πράγματα κινούνται σχεδόν πάντα προς την αύξηση της αταξίας. Ένα φλιτζάνι πέφτει και σπάει. Δεν βλέπουμε τα κομμάτια του να σηκώνονται από το πάτωμα και να σχηματίζουν ξανά το αρχικό αντικείμενο. Ένα αυγό σπάει και ανακατεύεται. Δεν βλέπουμε τον κρόκο και το ασπράδι να διαχωρίζονται μόνα τους και το κέλυφος να ξανακλείνει. Η φύση φαίνεται να έχει κατεύθυνση. Και αυτή η κατεύθυνση είναι από το παρελθόν προς το μέλλον, από την τάξη προς την αταξία, από το οργανωμένο προς το διασκορπισμένο.
Το συγκεκριμένο πείραμα δεν κατήργησε αυτόν τον κανόνα. Δεν ανέτρεψε τη φυσική όπως τη γνωρίζουμε. Όμως έδειξε ότι, σε ένα ειδικά κατασκευασμένο κβαντικό σύστημα, με τεχνητή παρέμβαση και υπολογιστικό έλεγχο, μπορεί να δημιουργηθεί μια κατάσταση που μοιάζει να κινείται αντίθετα από το συνηθισμένο θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου.
Τι σημαίνει πραγματικά “αναστροφή του χρόνου”
Ο τίτλος «αναστροφή του χρόνου» είναι εντυπωσιακός, αλλά χρειάζεται προσοχή. Οι επιστήμονες δεν γύρισαν τον χρόνο του σύμπαντος πίσω. Δεν μετέφεραν ύλη, ανθρώπους ή γεγονότα στο παρελθόν. Αυτό που ανέστρεψαν ήταν η μαθηματική και φυσική εξέλιξη μιας κβαντικής κατάστασης μέσα σε έναν υπολογιστή.
Στον κβαντικό κόσμο, τα σωματίδια και οι καταστάσεις τους δεν συμπεριφέρονται όπως τα αντικείμενα της καθημερινής ζωής. Εκεί κυριαρχούν πιθανότητες, υπερθέσεις, αλληλεπιδράσεις και λεπτές μορφές πληροφορίας. Ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να περιγράφεται από μια κατάσταση που εξελίσσεται με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Αν γνωρίζει κανείς αρκετά καλά αυτή την εξέλιξη και έχει τον κατάλληλο έλεγχο, μπορεί θεωρητικά να εφαρμόσει μια αντίστροφη διαδικασία, ώστε το σύστημα να επιστρέψει σε προηγούμενη κατάσταση.
Αυτό ακριβώς προσπάθησαν να κάνουν οι ερευνητές. Με τη βοήθεια λογισμικού, τροποποίησαν την κατάσταση του κβαντικού υπολογιστή ώστε να κινηθεί «προς τα πίσω», δηλαδή από μια πιο διαταραγμένη μορφή προς μια πιο τακτοποιημένη.
Το βέλος του χρόνου και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Στην καρδιά αυτής της έρευνας βρίσκεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός συνδέεται με την έννοια της εντροπίας, δηλαδή με το μέτρο της αταξίας ή της διασποράς της ενέργειας και της πληροφορίας μέσα σε ένα σύστημα. Σε γενικές γραμμές, όσο περνά ο χρόνος, η εντροπία ενός κλειστού συστήματος τείνει να αυξάνεται.
Αυτός είναι ο λόγος που ο κόσμος γύρω μας μοιάζει να «γερνάει» προς μία κατεύθυνση. Τα αντικείμενα φθείρονται, οι δομές διαλύονται, η θερμότητα διαχέεται, οι αρχικές καταστάσεις χάνονται. Η φυσική δεν απαγορεύει απολύτως κάθε επιστροφή στην τάξη, αλλά την καθιστά εξαιρετικά απίθανη χωρίς εξωτερική παρέμβαση.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής προσπάθειας, Γκόρντεϊ Λεσόβικ, εξήγησε ότι το πείραμα εντάσσεται σε μια ευρύτερη μελέτη γύρω από την πιθανότητα παραβίασης ή προσωρινής αντιστροφής φαινομένων που σχετίζονται με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Η ομάδα δημιούργησε τεχνητά μια κατάσταση που εξελισσόταν αντίθετα από τη συνηθισμένη κατεύθυνση του θερμοδυναμικού χρόνου.
Τα qubits και το ποσοστό επιτυχίας
Το πείραμα έγινε με τη χρήση qubits, δηλαδή των βασικών μονάδων πληροφορίας στους κβαντικούς υπολογιστές. Σε αντίθεση με τα κλασικά bits, τα οποία παίρνουν τιμή 0 ή 1, τα qubits μπορούν να βρίσκονται σε πιο σύνθετες καταστάσεις, συνδυάζοντας πιθανότητες και υπερθέσεις.
Όταν οι ερευνητές εργάστηκαν με δύο qubits, η διαδικασία αναστροφής είχε υψηλό ποσοστό επιτυχίας, περίπου 85%. Όταν όμως το σύστημα έγινε πιο σύνθετο και χρησιμοποιήθηκαν τρία qubits, το ποσοστό επιτυχίας μειώθηκε περίπου στο 50%, κυρίως λόγω σφαλμάτων και περιορισμών του ίδιου του κβαντικού υπολογιστή.
Αυτό δείχνει κάτι πολύ σημαντικό: όσο πιο πολύπλοκο γίνεται ένα κβαντικό σύστημα, τόσο πιο δύσκολο είναι να ελεγχθεί με απόλυτη ακρίβεια και να επιστρέψει πιστά σε προηγούμενη κατάσταση. Η αναστροφή δεν είναι μαγική, ούτε απεριόριστη. Είναι ευαίσθητη, εύθραυστη, τεχνικά απαιτητική και εξαρτάται από την ποιότητα του ελέγχου πάνω στο κβαντικό σύστημα.
Γιατί το πείραμα είναι σημαντικό
Η σημασία του πειράματος δεν βρίσκεται μόνο στον εντυπωσιακό τίτλο. Βρίσκεται στο ότι αποκαλύπτει πόσο βαθιά συνδέονται ο χρόνος, η πληροφορία, η τάξη, η αταξία και η κβαντική μηχανική.
Πρώτον, δείχνει ότι η κατεύθυνση του χρόνου δεν είναι απλώς φιλοσοφικό ζήτημα, αλλά φυσικό πρόβλημα που μπορεί να μελετηθεί πειραματικά. Ο χρόνος, όπως τον βιώνουμε, δεν είναι απλώς το ρολόι στον τοίχο. Είναι η ίδια η εξέλιξη των συστημάτων από μια κατάσταση σε μια άλλη.
Δεύτερον, το πείραμα έχει άμεση σχέση με την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών. Αν οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα πώς εξελίσσονται και πώς αντιστρέφονται οι κβαντικές καταστάσεις, μπορούν να βελτιώσουν μελλοντικά τους μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων, σταθερότητας και ελέγχου στα κβαντικά συστήματα.
Τρίτον, ανοίγει δρόμους για βαθύτερη κατανόηση της σχέσης ανάμεσα στη θερμοδυναμική και την κβαντική πληροφορία. Η πληροφορία δεν είναι αφηρημένη έννοια. Στον κβαντικό κόσμο είναι φυσικό μέγεθος, συνδεδεμένο με την ενέργεια, την κατάσταση και την εξέλιξη ενός συστήματος.
Η διαφορά ανάμεσα στην επιστήμη και την υπερβολή
Εδώ χρειάζεται να γίνει μια καθαρή διάκριση. Η είδηση δεν πρέπει να διαβαστεί σαν απόδειξη ότι η ανθρωπότητα βρίσκεται ένα βήμα πριν από ταξίδια στο παρελθόν. Δεν μιλάμε για ανθρώπινη χρονομεταφορά. Δεν μιλάμε για επιστροφή γεγονότων. Δεν μιλάμε για αλλαγή της ιστορίας.
Μιλάμε για ένα μικροσκοπικό, ελεγχόμενο, κβαντικό πείραμα στο οποίο η εξέλιξη μιας κατάστασης αντιστράφηκε για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό είναι ήδη τεράστιο. Δεν χρειάζεται υπερβολή για να γίνει εντυπωσιακό. Είναι εντυπωσιακό από μόνο του, ακριβώς επειδή αγγίζει τα θεμέλια της φυσικής.
Η επιστημονική αξία του πειράματος βρίσκεται στη δυνατότητα να εξεταστεί πρακτικά κάτι που μέχρι πρόσφατα έμοιαζε κυρίως θεωρητικό: αν ένα σύστημα μπορεί, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, να κινηθεί αντίθετα από τη συνηθισμένη θερμοδυναμική κατεύθυνση της εξέλιξής του.
Ένα παράθυρο στη βαθύτερη φύση της πραγματικότητας
Ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται τον χρόνο γραμμικά. Γεννιόμαστε, μεγαλώνουμε, θυμόμαστε, περιμένουμε, φθειρόμαστε. Η ανθρώπινη εμπειρία είναι χτισμένη πάνω στην αμετάκλητη ροή του χρόνου. Γι’ αυτό κάθε επιστημονική εργασία που αγγίζει την έννοια της χρονικής αναστροφής προκαλεί τόσο μεγάλο ενδιαφέρον.
Όμως η φυσική, ειδικά στο κβαντικό επίπεδο, είναι συχνά πιο παράξενη από την καθημερινή εμπειρία. Εκεί όπου εμείς βλέπουμε σταθερές βεβαιότητες, η φύση εμφανίζει πιθανότητες. Εκεί όπου εμείς βλέπουμε οριστικές καταστάσεις, η κβαντική μηχανική βλέπει εξελίξεις, αλληλεπιδράσεις και μαθηματικές δυνατότητες.
Το πείραμα αυτό μας υπενθυμίζει ότι ο χρόνος δεν είναι απλώς ένα σκηνικό μέσα στο οποίο συμβαίνουν τα πράγματα. Είναι ενεργό κομμάτι της φυσικής περιγραφής του κόσμου. Και όταν οι επιστήμονες καταφέρνουν να χειριστούν την εξέλιξη ενός κβαντικού συστήματος, δεν παίζουν με φαντασίες· μελετούν τα βαθύτερα θεμέλια της πραγματικότητας.
Η ανακοίνωση ότι επιστήμονες «ανέστρεψαν τη ροή του χρόνου» δεν πρέπει να αντιμετωπιστεί ούτε με αφέλεια ούτε με ειρωνεία. Δεν είναι απόδειξη ότι αύριο θα ταξιδεύουμε στο παρελθόν. Είναι όμως μια ισχυρή υπενθύμιση ότι η επιστήμη συνεχίζει να πλησιάζει περιοχές της πραγματικότητας που άλλοτε θεωρούνταν απρόσιτες.
Το πείραμα έδειξε ότι, σε κβαντικό επίπεδο και με προσεκτικό τεχνητό έλεγχο, μια κατάσταση μπορεί να οδηγηθεί προς τα πίσω, από μια μεταγενέστερη μορφή σε μια προηγούμενη. Αυτό από μόνο του είναι μια εντυπωσιακή κατάκτηση. Δεν γυρίζει τον κόσμο πίσω. Γυρίζει όμως τη σκέψη μας μπροστά.
Η μεγάλη αξία αυτής της έρευνας βρίσκεται στο ότι μας αναγκάζει να ξαναδούμε θεμελιώδεις έννοιες: τι είναι χρόνος, τι είναι τάξη, τι είναι αταξία, τι είναι πληροφορία, τι σημαίνει εξέλιξη και πόσο απόλυτοι είναι τελικά οι κανόνες που θεωρούμε αυτονόητους. Η επιστήμη δεν έσπασε το ρολόι του σύμπαντος. Έδειξε όμως ότι, στο πιο βαθύ και λεπτό επίπεδο της ύλης, το ρολόι της πραγματικότητας είναι πολύ πιο παράξενο, πολύ πιο εύθραυστο και πολύ πιο συναρπαστικό απ’ όσο φανταζόμαστε.
Discover more from Scripta manent
Subscribe to get the latest posts sent to your email.