Статья, опубликованная в Scientific Reports, продолжила серию исследований возможности нарушения второго закона термодинамики, тесно связанного с понятием стрелы времени, то есть его движении строго в одном направлении — из прошлого в будущее.
Сначала ученые описали локальный вечный двигатель второго рода. Затем, в декабре, они опубликовали вторую работу, посвященную локальному нарушению второго закона в присутствии «демона Максвелла». В новейшем исследовании представлен третий взгляд на ту же проблему.
Что отличает прошлое от будущего
Для большинства законов физики этого различия нет. Одно и то же уравнение будет описывать столкновение двух бильярдных шаров и то же движение, записанное на видео и запущенное в обратную сторону. Более того, различить две версии на записи невозможно.
Однако если записать, как один шар разбивает пирамиду бильярдных шаров, и они раскатываются в разные стороны, определить «правильный» сценарий не составит труда.
Обратная версия окажется абсурдной, поскольку противоречит нашему интуитивному пониманию второго закона термодинамики — в изолированной системе энтропия никогда не уменьшается.
Большинство других законов физики не запрещают шарам собираться обратно в пирамиду или лаве — затечь в жерло вулкана. Но такие феномены не происходят, поскольку требуют, чтобы изолированная система стала более упорядоченной, что противоречит второму закону термодинамики, пишет Phys.org.
Спонтанное обращение времени вспять
Физики из МФТИ решили проверить, может ли время спонтанно обратиться вспять — хотя бы для отдельной частицы и на долю секунды. Поэтому вместо игры на бильярде они наблюдали за отдельным электроном в пустом пространстве.
Положение электрона в пространстве можно локализовать с достаточной, хотя и не с абсолютной точностью. Дальнейшая его эволюция описывается уравнением Шредингера: пространство локализации электрона быстро расширяется, потому что система стремится к хаосу. Положение электрона становится все более неточным.
Однако, уравнение Шредингера обратимо. С точки зрения математики это значит, что электрон может локализоваться обратно за то же самое время.
В природе такой феномен не наблюдается, но теоретически может случиться из-за случайных флуктуаций реликтового излучения.
Итак, ученые рассчитали вероятность этого события. У них вышло, что даже за весь срок существования Вселенной — 13,7 млрд лет — и ежесекундно наблюдая за десятью миллиардами локализованных электронов, обратное движение может произойти только один раз. И даже тогда электрон вернется в прошлое не более чем на 1/10 000 000 000 секунды.
А крупномасштабные феномены — бильярдные шары или извержения вулканов — происходят гораздо дольше и требуют участия намного большего числа электронов и других частиц. Вот почему мы никогда не наблюдаем такие события.
Намеренное обращение времени вспять
Затем физики провели эксперимент, попытавшись обратить время вспять искусственно. Вместо электрона они наблюдали состояние квантового компьютера из двух, а затем трех кубитов. Каждый кубит в начале находился в состоянии «0», которое соответствовало локализации электрона в небольшом пространстве. Потом, под действием эволюционной программы, они начали все более хаотично менять конфигурации нолей и единиц.
Во время третьей фазы отдельная программа изменила состояние квантового компьютера так, что ситуация начала развиваться от хаоса к порядку, имитируя флуктуации реликтового излучения. И, наконец, снова была запущена программа эволюции, которая теперь в 85% случаев способствовала возвращению кубитов в исходное состояние. В случае с тремя кубитами шанс успеха составил 50%.
Ученые считают, что у исследования есть и вполне практическая сторона — алгоритм обращения времени вспять можно использовать для снижения уровня помех у программ, написанных для квантовых компьютеров.
