שיטת בקרה תאורטית משלבת מדידות, משוב ושדות קוונטיים כדי לבטל, לטשטש ואף להפוך את חץ הזמן הנוצר במערכת קוונטית מנוטרת. החוקרים מציעים לנצל את האנרגיה שמחדירות המדידות למערכת, אך אין מדובר במכונת זמן או בהפרה של החוק השני של התרמודינמיקה
בחיי היום־יום נדמה כי לזמן יש כיוון ברור ובלתי הפיך. כוס נשברת אך אינה מתחברת מחדש מעצמה, חום זורם מגוף חם לגוף קר, וזיכרונותינו מתייחסים לעבר ולא לעתיד. אולם רבות מן המשוואות היסודיות של הפיזיקה המיקרוסקופית אינן מבחינות באופן מהותי בין תנועה קדימה בזמן לבין תנועה לאחור.
מחקר חדש מציע דרך לשלוט בחץ הזמן הנצפה במערכות קוונטיות הנתונות למדידה רציפה. החוקרים פיתחו פרוטוקולים תאורטיים שבאמצעותם אפשר לבטל את השפעת המדידה, לחזק אותה או לפצות עליה במידה גדולה מן הדרוש – עד שהמסלולים המתקבלים נראים סבירים יותר כאשר מפרשים אותם כתנועה לאחור בזמן מאשר כתנועה קדימה. [1][2]
המחקר, מאת לואיס פדרו גרסיה־פינטוס, יי־קאי ליו ואלכסיי ו׳ גורשקוב, פורסם בכתב העת Physical Review X. חשוב להבהיר: החוקרים לא גרמו לזמן ביקום לזרום לאחור, לא החזירו עצם למצבו בעבר ולא בנו מכונת זמן. הם עיצבו את ההתפתחות הסטטיסטית של מערכת קוונטית כך שחץ הזמן העולה מתוצאות המדידה שלה יוכל להשתנות. [2][3]
כיצד מדידה יוצרת חץ זמן?
בפיזיקה הקלאסית אפשר לעיתים למדוד מערכת בלי לשנות אותה במידה ניכרת. מדידת מיקומה של מכונית, למשל, אינה מסיטה אותה ממסלולה. במכניקת הקוונטים המצב שונה: המדידה עצמה משפיעה על המערכת ומשנה את מצבה באופן הסתברותי.
כאשר מבצעים סדרה של מדידות במערכת קוונטית, התוצאות יוצרות מסלול של שינויים אקראיים. מבחינה סטטיסטית ניתן לשאול אם מסלול מסוים מתאים יותר להתפתחות קדימה בזמן או להתפתחות ההפוכה. ההבדל בין הסבירות של שני התיאורים הוא שמעניק למסלול הנמדד חץ זמן.
דוגמה פשוטה היא סרט של כוס המתנפצת. קל לקבוע באיזה כיוון הסרט מוקרן, משום שהתהליך ההפוך – רסיסים המתרוממים ומתחברים מעצמם – כמעט שאינו מתרחש. במערכת קוונטית קטנה, לעומת זאת, התנודות והמדידות מאפשרות לבחון במדויק את ההסתברות של כל מסלול ושל הגרסה ההפוכה שלו.
החוקרים ביקשו לברר אם אפשר להתערב במסלולים האלה כך שהכיוון המועדף ייחלש, ייעלם או יתהפך.
המילטוניאן שמחקה מדידה
לשם כך בנו החוקרים המילטוניאן בקרה – תיאור מתמטי של רצף שדות ופולסים המופעלים על המערכת. ההמילטוניאן תוכנן לחקות את השינוי שהייתה גורמת מדידה קוונטית, אך באופן מבוקר.
כאשר משלבים את הבקרה עם מידע על תוצאות המדידות שכבר התקבלו, נוצרת לולאת משוב. החוקרים הראו תאורטית כי אפשר לכוון את המשוב לכמה מצבים:
- לפצות על הפרעת המדידה ולצמצם את חץ הזמן;
- לחזק את השפעת המדידה ולהגדיל את האי־הפיכות;
- לפצות ביתר, כך שהמערכת תייצר מסלולים המתאימים יותר לחץ זמן הפוך.
במילים אחרות, המערכת אינה נוסעת אל העבר. במקום זאת, החוקרים משנים את הדינמיקה שלה כך שרצף המצבים הנצפה נראה כאילו הגרסה ההפוכה בזמן היא הטבעית יותר.
השיטה יכולה גם לדמות את ההתפתחות לאחור של מערכת קוונטית פתוחה – מערכת המקיימת יחסי גומלין עם סביבתה. יכולת כזו עשויה לסייע בחקר רעש, איבוד מידע והכנת מצבים קוונטיים רצויים. [2]
שד מקסוול בגרסה קוונטית
המחקר מתקשר לניסוי המחשבתי הידוע בשם “שד מקסוול”. במאה ה־19 הציע ג׳יימס קלרק מקסוול יצור דמיוני המסוגל למיין מולקולות מהירות ואיטיות וליצור הפרש טמפרטורות בלי להשקיע לכאורה עבודה. התוצאה נראתה כהפרה של החוק השני של התרמודינמיקה, שלפיו האנטרופיה במערכת מבודדת אינה אמורה לקטון.
הפתרון המודרני לפרדוקס הוא שגם איסוף המידע, עיבודו ומחיקתו כרוכים בעלות תרמודינמית. כאשר מביאים בחשבון את המערכת כולה, החוק השני אינו מופר.
גם במערכת שהציעו החוקרים נעשה שימוש במידע מתוצאות המדידה כדי להניע תהליך חריג. המדידה משנה את המערכת ומחדירה אליה אנרגיה, והמשוב מנתב חלק מן האנרגיה הזאת לכיוון שימושי.
מנוע המופעל באמצעות מדידה
כאחד היישומים פיתח הצוות מודל של מנוע מדידה רציפה. המנוע שואב אנרגיה מן השינויים שהמדידות מחוללות במערכת הקוונטית. באופן עקרוני אפשר להשתמש באנרגיה כדי להניע תהליך אחר או לאגור אותה בסוללה קוונטית.
אין כאן יצירת אנרגיה יש מאין. המדידה, הבקרה, איסוף המידע והפעלת המשוב הם משאבים פיזיקליים. האנרגיה המופקת מן המערכת מגיעה מן האנרגיה שהוזרמה אליה בתהליך הניטור. החוקרים אף בחנו בתיאוריה תנאים שאינם מושלמים, ובהם עיכוב במשוב ויעילות מדידה מוגבלת. [2]
התוצאה מעניינת משום שהיא הופכת את המדידה מגורם המפריע למערכת למשאב תרמודינמי שאפשר לנצל.
עדיין לא ניסוי במעבדה
העבודה הנוכחית היא מחקר תאורטי הכולל ניתוחים מתמטיים והדמיות. החוקרים לא דיווחו על מימוש ניסויי של היפוך חץ הזמן באמצעות הפרוטוקול החדש.
השלב הבא שהם מציעים הוא לבחון את השיטה בקיוביטים מוליכי־על. מערכות כאלה מאפשרות מדידות מהירות, בקרה מדויקת ומשוב בזמן קצר, וכבר שימשו בניסויים קודמים למימוש גרסאות קוונטיות של שד מקסוול. החוקרים בוחנים גם שימוש בכלים שפיתחו להכנת מצבים קוונטיים. [1]
מה המחקר אינו מוכיח
הכותרת “הזמן זורם לאחור” עלולה ליצור רושם שגוי. במחקר לא הוחזר אדם, חלקיק או אירוע אל העבר, ולא שונה הכיוון התרמודינמי של העולם המאקרוסקופי.
המונח “חץ הזמן” מתייחס כאן לא־סימטריה הסטטיסטית במסלולים של מערכת קוונטית מנוטרת: האם רצף התוצאות נראה סביר יותר בכיוון שבו נמדד, או כאשר הופכים את סדרו.
העבודה מראה שניתן להנדס את ההסתברויות האלה באמצעות בקרה ומשוב. בכך היא מספקת כלי חדש לחקירת הקשר בין מדידה, מידע, אנרגיה ואי־הפיכות במכניקת הקוונטים – ואולי גם דרך מעשית יותר לשלוט בעתיד במערכות קוונטיות.
שאלות ותשובות
האם החוקרים החזירו את הזמן לאחור?
לא. הם שינו את ההסתברויות של מסלולים במערכת קוונטית מנוטרת, כך שהמסלול ההפוך בזמן נעשה סביר יותר מן המסלול הרגיל.
מהו חץ הזמן?
חץ הזמן הוא ההבדל בין תהליכים המתרחשים באופן טבעי קדימה לבין הגרסה ההפוכה שלהם, שלרוב אינה מתרחשת. במחקר נבחן חץ הזמן הסטטיסטי הנוצר מסדרה של מדידות קוונטיות.
האם החוק השני של התרמודינמיקה הופר?
לא. המדידה והמשוב דורשים מידע ואנרגיה. כאשר מביאים בחשבון את כל המשאבים, אין יצירה של אנרגיה יש מאין.
מהו מנוע מדידה קוונטי?
מערכת המנצלת את האנרגיה שמדידות קוונטיות מחדירות למערכת ומנתבת אותה באמצעות משוב להפקת עבודה או לאגירה.
האם השיטה נוסתה בקיוביטים אמיתיים?
עדיין לא במסגרת המחקר הזה. החוקרים מציעים לבחון אותה בעתיד בקיוביטים מוליכי־על.
תמונה ראשית מוצעת
כיתוב:
המחשה של מסלולים קוונטיים בכיווני זמן שונים. החוקרים פיתחו שיטת בקרה המסוגלת לטשטש ואף להפוך את חץ הזמן הנצפה במערכת קוונטית מנוטרת.
מקורות
[1] הודעת המעבדה הלאומית לוס אלמוס מבהירה כי הפרוטוקולים משנים את חץ הזמן הנצפה במערכת קוונטית, מציעה ניסויים עתידיים בקיוביטים מוליכי־על ומתארת מנוע המופעל באמצעות מדידות. (Los Alamos National Laboratory)
[2] תקציר המאמר וגרסתו הפתוחה מתארים המילטוניאן המחקה מסלולי מדידה, משוב היוצר מסלולים התואמים לחץ זמן הפוך, הדמיית דינמיקה לאחור ומנוע מדידה הפועל גם בתנאים לא־אידאליים. (arXiv)
[3] המאמר פורסם ב־Physical Review X, כרך 16, מאמר 011028, תחת הכותרת “Reshaping the Quantum Arrow of Time”; ה־DOI הרשמי הוא 10.1103/l18s-9vmh. (journals.aps.org)
עוד בנושא באתר הידען:
