Kwantumfysica "vervaagt" de tijd

Kwantumfenomenen van superpositie en verwarring kunnen de timing veranderen

Tijd zou ook kunnen worden onderworpen aan kwantumfysische verschijnselen, zoals een gedachte-experiment suggereert. © Chakis Atelier / iStock
voorlezen

Wazige tijdpijl: het tijdsverloop is mogelijk minder vooraf bepaald dan verwacht. Want de kwantumfysica kan de tijdelijke volgorde van gebeurtenissen onbepaald maken of zelfs omkeren, zoals theoretische overwegingen nu suggereren. In een gedachte-experiment tonen de onderzoekers aan dat tijd ook onderhevig is aan kwantumfysische fenomenen zoals superpositie en verstrengeling onder bepaalde omstandigheden.

De tijd kent maar één richting: het loopt altijd vooruit - dus in ieder geval de klassieke veronderstelling. Omdat entropie veel causale processen in onze wereld onomkeerbaar maakt, bijvoorbeeld assembleert een gebroken glas zichzelf niet opnieuw. Sinds Einsteins algemene relativiteitstheorie weten we echter dat het zwaartekrachteffect van grote massa's de tijd kan verlengen. Daarom loopt een klok in het dal iets langzamer dan op een bergtop - dat is iets dat je kunt meten.

Heeft de kwantumfysica ook invloed op de tijd?

Maar hoe gedraagt ​​de tijd zich op het gebied van de kwantumfysica? Het is bekend dat dit enkele van de regels van de klassieke fysica tenietdoet en exotische fenomenen mogelijk maakt, zoals de superpositie van toestanden of de verstrengeling van deeltjes. Kunnen dergelijke fenomenen ook het verstrijken van de tijd beïnvloeden? Onderzoekers hebben zelfs in laboratoriumexperimenten bewezen dat kwantumdeeltjes entropie en dus het tijdsverloop kort kunnen omkeren.

Het is echter onduidelijk gebleven of kwantumprocessen ook effectief kunnen zijn in de invloed van zwaartekracht op tijd. Dit is precies wat Magdalena Zych van de Universiteit van Queensland en haar collega's hebben onderzocht in een gedachte-experiment. "Ons uitgangspunt was de vraag wat een klok zou meten onder invloed van een zwaar object in de superpositie", legt Zych uit. Als de verwijdering van dit object door de overlay bijvoorbeeld onbepaald is, zou de tijd dan tegelijkertijd sterk en zwak zijn? En welke gevolgen zou dit hebben voor tijdelijke processen waarvan de uitkomst afhangt van deze tijdsuitbreiding?

Wat gebeurt er als zware objecten zoals de planeten zich in elkaar bevinden? Beïnvloedt dit ook de tijdsuitbreiding en daarmee de Schiucksal van de ruimteschepen? Magdalena Zych, Igor Pikovski

Ruimteschip duel in de ruimte

De onderzoekers hebben dit nu onderzocht in een gedachte-experiment. Hun gedachten over het volgende scenario kunnen worden geïllustreerd: In de ruimte zweven twee ruimteschepen, die op vooraf bepaalde tijden vuren. Het andere schip weet precies hoe laat deze aanval plaatsvindt en wijkt daarom op dit moment af. Wanneer dit ruimtetuig echter in het zwaartekrachtveld van een planeet komt, vergroot de zwaartekracht de lokale tijd en gaat de klok van het schip omlaag. Het ruimteschip wijkt hierdoor te laat af en wordt vernietigd. tonen

Tot zover het "klassieke" scenario. Maar wat gebeurt er als je de planeet in een superpositie plaatst? Theoretisch zou hij dan zowel dichtbij als ver weg zijn. Op deze manier zou de tijdspanne die erdoor werd veroorzaakt tegelijkertijd echter ook sterk en zwak zijn, waardoor de tijd zelf in een onbepaalde staat van superpositie zou zijn. Voor de twee ruimteschepen zou dit betekenen dat hun loop van schieten en ontwijken verward zou zijn, zodat theoretisch beide tegelijkertijd konden exploderen.

Opgelegd time-outs

Maar is een dergelijk kwantumfysisch scenario compatibel met de fysica van ruimte-tijd? Dat is precies wat Zych en haar team theoretisch hebben berekend. Verrassend genoeg laten de fysische wetten een dergelijke invloed van kwantumfysische fenomenen op tijd toe. De tijd kan ook tekenen van overlay en contractie vertonen, zoals de onderzoekers melden.

"De opeenvolging van gebeurtenissen kan kwantummechanisch worden", verklaart co-auteur Igor Pikovski van het Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics in Cambridge. Om dit te bereiken is geen nieuwe fysica nodig. "De resultaten zijn volledig gebaseerd op de gevestigde algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica", aldus de onderzoekers. Het gedachte-experiment suggereert dat kwantumfysische fenomenen ook mogelijk zijn in de context van ruimte-tijd.

Praktische betekenis voor kwantumcomputers

Echter: in de praktijk kan overlapping en opsluiting alleen worden waargenomen met microscopische deeltjes. Voor macroscopische objecten storten deze kwantumtoestanden te snel in door verstoringen. Daarom zal het gedachte-experiment nooit uitkomen voor echte ruimteschepen.

Maar dit is anders voor kwantumcomputers: voor hen kunnen de nieuwe bevindingen geheel nieuwe rekenkundige mogelijkheden brengen, zoals de onderzoekers uitleggen. Omdat kwantumcomputers, die een kwantumaantal rekenreeksen gebruiken, apparaten zouden kunnen overtreffen die alleen met vaste reeksen werken. (Nature Communications, 2019; doi: 10.1038 / s41467-019-11579-x)

Bron: Universiteit van Wenen, Stevens Institute of Technology

- Nadja Podbregar