Fysiker demonstrerar hur man vänder på tidens pil

En av de mer märkliga utmaningarna inom fysiken är att förstå tidens natur. På mikroskopisk nivå är fysikens lagar symmetriska med avseende på tid – de fungerar lika bra oavsett om tiden går framåt eller bakåt. Men på makroskopisk nivå har alla processer en föredragen riktning. Den store fysikern Arthur Eddington kallade detta tidens pil.

Just varför den här pilen pekar i en riktning men inte i den andra är ett av de stora vetenskapliga gåtorna. Standardsvaret är att tidens pil följer av termodynamikens andra lag – att störning, eller entropi, alltid ökar i ett slutet system.

Det är därför mjölk lätt blandas i te men aldrig kommer ut ur en brygd, varför äggröra aldrig spontant avrörs och varför din morgonmugg med kaffe värmer dina händer när du håller den och inte tvärtom.

Men det finns en annan faktor som fungerar - universums initiala förutsättningar. Av okända skäl var det tidiga universum varmt och dess energi fördelad jämnt. Detta är ett lågentropitillstånd för ett system som domineras av gravitation.

Med tiden har entropin kontinuerligt ökat, och det är detta som till stor del har bestämt tidens pil.

Men det väcker en intressant möjlighet. Om de initiala förhållandena bestämmer tidens pil, kanske det är möjligt att skapa system på jorden med initiala förhållanden som tvingar tidens pil att springa i motsatt riktning. I dessa system, ägg skulle kunna spontant avkoda och värma skulle kunna flöde från kalla föremål till varma.

Idag har Kaonan Micadei vid Federal University of ABC i Brasilien och några kompisar byggt ett sådant system för första gången. I deras experiment går tidens pil baklänges, vilket gör att de kan observera ett kallt föremål som värmer upp ett varmare. Arbetet lyfter möjligheten till en ny generation av enheter där tidens pil går baklänges.

Det exotiska nya systemet är en blandning av kloroform löst i nagellackborttagningsmedel, eller aceton. Kloroform—CHCl3—består av en enda kolatom, en enda väteatom och tre kloratomer.

Detta skapar en perfekt lekplats för kvantfysiker, som kan manipulera kärnspinn av enkla kol- och vätekärnor med hjälp av en teknik som kallas kärnmagnetisk resonans.

Tanken är att rikta in kärnorna med hjälp av ett starkt magnetfält. Fysiker använder sedan radiopulser för att vända en eller båda snurren, vilket gör att de blir korrelerade eller intrasslade. Och genom att lyssna på radiosignalerna som sänds ut av kärnorna kan fysikerna räkna ut hur kärnornas kvanttillstånd utvecklas.

Samtidigt är kol- och vätekärnorna i termisk kontakt, vilket innebär att värmeenergi kan strömma från den ena till den andra. Teamet kan kontrollera temperaturen på båda kärnorna genom att selektivt värma dem med hjälp av kärnmagnetisk resonans. När en kärna är varmare än den andra flyter värme naturligt från den heta till den kallare.

I det nya experimentet har Micadei och co observerat motsatsen. Och nyckeln är att trassla in kärnorna i förväg. Entanglement är den märkliga kvantprocessen där två kvantpartiklar delar samma existens. Det är detta fenomen som Micadei och co har utnyttjat för att skapa den unika uppsättningen initiala förutsättningar som gör att tiden kan springa baklänges.

När kärnorna är intrasslade sätter korrelationen extra gränser för hur partiklarna beter sig, vilket resulterar i en sorts motor som driver värmeenergi i motsatt riktning. Vi observerar ett spontant värmeflöde från det kalla till det varma systemet, säger teamet.

Det har viktiga konsekvenser för vår förståelse av tid och dess förhållande till förveckling och entropi. Våra resultat på tidens termodynamiska pil kan också ha stimulerande konsekvenser på tidens kosmologiska pil, säger Micadei och co, och antyder att liknande korrelationer kan vara ansvariga för universums initiala förhållanden.

En viktig poäng i detta arbete är att fenomenet inte är begränsat till mikroskopiska system. Dessa NMR-experiment fungerar faktiskt i en makroskala där ett stort antal molekyler bidrar till den observerade signalen. Så resultatet kan också tillåta en ny generation av enheter som driver värme från kalla regioner till varma.

Intressant arbete om tidens grunder.

Ref: arxiv.org/abs/1711.03323 : Vända den termodynamiska tidens pil med hjälp av kvantkorrelationer

Dölj