コーヒーが冷め、建物が崩れ、卵が割れ、星が消え、熱平衡として知られる均一なくすんだ状態に劣化する運命にあると思われる宇宙。天文学者であり哲学者であるアーサー・エディントン卿は、1927 年にエネルギーの漸進的な分散を不可逆的な「時間の矢」の証拠として挙げました。
しかし、何世代にもわたる物理学者を困惑させているのは、時間の矢は物理学の根底にある法則に従わないように見えるということです。これらの法則により、誰かが宇宙のすべての粒子の経路を知っていて、それらをひっくり返した場合、エネルギーは分散するのではなく蓄積するように思われました. ぬるいコーヒーは自然に熱くなり、建物は瓦礫から立ち上がり、太陽光はそこに戻ってきます.太陽。
英国のブリストル大学の物理学教授であるサンドゥ・ポペスクは、「古典物理学では苦労していました。 「もし私がもっと知っていたら、この出来事を逆にして、壊れた卵のすべての分子をまとめることはできますか?なぜ私は関係があるのですか?」
確かに、時間の矢は人間の無知によって操縦されているわけではありません。それでも、1850 年代に熱力学が誕生して以来、エネルギーの広がりを計算するための唯一の知られているアプローチは、粒子の未知の軌道の統計的分布を定式化し、時間の経過とともに無知が物事を塗りつぶしたことを示すことでした.
現在、物理学者は、時間の矢のより基本的な原因を明らかにしています。エネルギーが分散し、物体が平衡化するのは、素粒子が相互作用するときに絡み合う方法によるものであると彼らは言います — 「量子エンタングルメント」と呼ばれる奇妙な効果です。
ブリストル大学の量子物理学者であるトニー・ショートは、「ついに、1 杯のコーヒーが部屋で平衡化する理由を理解することができました。 「コーヒーカップの状態と部屋の状態の間にもつれが生じます。」
Popescu、Short、および彼らの同僚である Noah Linden と Andreas Winter は、2009 年に Journal Physical Review E でこの発見を報告し、物体が量子力学的に絡み合うことによって無限の時間内に平衡または均一なエネルギー分布の状態に達すると主張しました。周囲。ドイツのビーレフェルト大学の Peter Reimann による同様の結果は、数か月前に Physical Review Letters に掲載されました。ショートと共同研究者は、もつれが有限時間内に平衡を引き起こすことを示して、2012 年に議論を強化しました。そして、2 月に科学プレプリント サイト arXiv.org に投稿された研究では、2 つの別々のグループが次のステップに進み、ほとんどの物理システムがそのサイズに比例する時間スケールで急速に平衡化することを計算しました。 「それが実際の物理世界に関連していることを示すには、プロセスが妥当な時間スケールで発生している必要があります」と Short 氏は言います。
ジュネーブ大学の量子物理学者であるニコラス・ブルナーは、コーヒーと他のすべてが平衡に達する傾向は「非常に直感的」だと述べています。 「しかし、なぜそれが起こるのかを説明することになると、微視的理論を考慮して確固たる根拠に基づいて導き出されたのはこれが初めてです。」
新しい研究方針が正しければ、時間の矢の話は、深部では自然は本質的に不確実であるという量子力学的な考えから始まります。素粒子は明確な物理的性質を持たず、さまざまな状態にある確率によってのみ定義されます。たとえば、特定の瞬間に、パーティクルが 50% の確率で時計回りに回転し、50% の確率で反時計回りに回転する場合があります。北アイルランドの物理学者ジョン・ベルによって実験的にテストされた定理は、粒子の「真の」状態は存在しないと言います。確率はそれに帰することができる唯一の現実です.
量子の不確実性は、時間の矢の推定ソースであるエンタングルメントを引き起こします。
2 つの粒子が相互作用すると、「純粋な状態」と呼ばれる、独立して進化する独自の確率で説明することさえできなくなります。代わりに、それらは、両方の粒子を一緒に記述する、より複雑な確率分布の絡み合ったコンポーネントになります。たとえば、粒子が反対方向にスピンすることを指示する場合があります。システム全体は純粋な状態にありますが、個々の粒子の状態は、その知人の状態と「混合」されています。この 2 つは光年離れて移動する可能性があり、それぞれのスピンは他方のスピンと相関したままであり、アルバート アインシュタインが有名に「離れた場所での不気味な行動」と表現した特徴です。
「エンタングルメントは、ある意味で量子力学の本質であり、素粒子スケールでの相互作用を支配する法則です」とブルナーは言いました。この現象は、量子コンピューティング、量子暗号、量子テレポーテーションの根底にあります。
エンタングルメントが時間の矢を説明するかもしれないという考えは、約 30 年前、ケンブリッジ大学の 23 歳の哲学大学院生で、ハーバード物理学の学位を取得していたときに、セス ロイドが最初に思いついたものです。ロイドは、時間の矢の真の源として、量子の不確実性と、粒子がますます絡み合うにつれてそれが広がる方法が、古い古典的証明における人間の不確実性に取って代わる可能性があることに気付きました.
ロイドは、情報の単位を基本的な構成要素として扱う量子力学へのあいまいなアプローチを使用して、1 と 0 のシャッフルの観点から粒子の進化を数年間研究しました。彼は、粒子が互いにますます絡み合うようになると、それらを最初に記述した情報 (たとえば、時計回りのスピンは「1」、反時計回りのスピンは「0」) がシフトして、絡み合った粒子のシステム全体を記述するようになることを発見しました。 .それはまるで粒子が次第に個々の自律性を失い、集団国家の駒になったかのようでした。最終的に、相関にはすべての情報が含まれ、個々の粒子には何も含まれませんでした。その時点でロイドは、粒子が平衡状態に到達し、その状態が室温まで冷やされたコーヒーのように変化を止めたことを発見しました。
「実際に起こっているのは、物事がより相互に関連するようになっているということです」と Lloyd 氏は認識したことを思い出します。 「時間の矢は、増加する相関関係の矢です。」
1988 年の博士論文で提示されたこのアイデアは、耳を貸さなかった。彼がそれを雑誌に投稿したとき、彼は「この論文には物理学はありません」と言われました。量子情報理論は当時「非常に人気がなかった」とロイドは言い、時間の矢についての質問は「頭が柔らかくなったクラックポットとノーベル賞受賞者のためのものでした」と、ある物理学者が彼に言ったことを覚えています.
「タクシーを運転する寸前でした」とロイドは言いました。
それ以来、量子コンピューティングの進歩により、量子情報理論は物理学の最も活発な分野の 1 つになりました。ロイドは現在、マサチューセッツ工科大学の教授であり、この学問分野の創始者の 1 人として認められており、見過ごされていた彼のアイデアは、ブリストルの物理学者の手により、より強力な形で再浮上しました。研究者によると、新しい証明はより一般的であり、ほぼすべての量子系に適用されます。
「ロイドが彼の論文でアイデアを提案したとき、世界は準備ができていませんでした」と、ETH チューリッヒの理論物理学研究所の所長であるレナート・レナーは言いました。 「誰もそれを理解していませんでした。適切なタイミングでアイデアを思いつく必要がある場合もあります。」
2009 年、ブリストル グループの証明は量子情報理論家の共感を呼び、彼らの技術の新しい用途が開かれました。オブジェクトが周囲と相互作用するとき (たとえば、コーヒー カップ内の粒子が空気と衝突するとき) に、オブジェクトのプロパティに関する情報が「漏れ出し、環境全体にまみれる」ことが示されました。この局所的な情報損失により、部屋全体の純粋な状態が進化し続けているにもかかわらず、コーヒーの状態が停滞します。まれなランダムな変動を除いて、「その状態は時間の経過とともに変化しなくなります」と彼は言いました。
その結果、ぬるい一杯のコーヒーが自然に温まることはありません。原則として、部屋の純粋な状態が進化するにつれて、コーヒーは突然空気から分離され、それ自体の純粋な状態になる可能性があります。しかし、コーヒーに利用できる純粋な状態よりもはるかに多くの混合状態があるため、これは実際には決して起こりません。それを目撃するには、宇宙よりも長く生きなければなりません.この統計的な可能性は、時間の矢に不可逆性の外観を与えます。 「絡み合いは本質的に非常に大きな空間を開きます」とポペスクは言いました。 「まるで公園にいて、ゲートの隣からスタートするようなもので、平衡からは程遠い。それから中に入ると、この巨大な場所があり、迷子になります。そして、門に戻ることはありません。」
時間の矢の新しい物語では、一杯のコーヒーを周囲の部屋と平衡状態に追いやるのは、人間の知識の主観的な欠如ではなく、量子もつれによる情報の喪失です。部屋は最終的に外部環境と平衡に達し、環境は宇宙の残りの部分との平衡に向かってさらにゆっくりとドリフトします。 19 世紀の熱力学の巨人たちは、このプロセスを宇宙の全体的なエントロピーまたは無秩序を増加させるエネルギーの漸進的な分散と見なしました。今日、ロイド、ポペスク、およびその分野の他の人々は、時間の矢を別の方法で見ています。彼らの見解では、情報はますます拡散していますが、完全に消えることはありません。したがって、彼らは、エントロピーが局所的に増加しても、宇宙全体のエントロピーはゼロで一定のままであると主張しています.
「宇宙全体は純粋な状態です」とロイドは言いました。 「しかし、その個々の部分は、宇宙の残りの部分と絡み合っているため、混合物になっています。」
時間の矢の 1 つの側面は未解決のままです。 「これらの作品には、あなたが門から始めた理由を説明するものは何もありません」とポペスクは公園の例えに言及して言った. 「言い換えれば、宇宙の初期状態が平衡からほど遠い理由を説明していないのです。」彼は、これはビッグバンの性質についての質問だと言いました.
平衡時間スケールの計算における最近の進歩にもかかわらず、新しいアプローチは、コーヒー、ガラス、物質のエキゾチックな状態など、特定のものの熱力学的特性を解析するためのツールとしてまだ進歩していません. (何人かの伝統的な熱力学学者は、新しいアプローチを漠然としか認識していないと報告している.) 「新しい論文はこの方向への一歩だと思いますが、さらに多くのことを行う必要があります。」
一部の研究者は、ロイドが述べたように、熱力学へのこの抽象的なアプローチが、「特定の観測対象がどのように振る舞うかという難しい核心」に対処するタスクを果たせるかどうか疑問を表明しました。しかし、概念の進歩と新しい数学的形式は、研究者が量子コンピューターの根本的な限界や宇宙の最終的な運命など、熱力学に関する理論的な問題に取り組むのにすでに役立っています。
「私たちは、量子マシンで何ができるかについてますます考えてきました」と、バルセロナの光科学研究所の Paul Skrzypczyk は述べています。 「システムがまだ均衡に達していないことを考えると、私たちはそれを解決したいと考えています。どのくらいの有用な作業を抽出できますか?何か面白いことをするために介入するにはどうすればよいですか?」
カリフォルニア工科大学の理論宇宙学者であるショーン・キャロルは、宇宙論における時間の矢に関する最新の研究で新しい形式を採用しています。 「私は宇宙論的時空の超長期的な運命に興味があります」と、「永遠からここまで：究極の時間理論の探求」の著者であるキャロルは言いました。 「これは、関連する物理法則のすべてを実際に知っているわけではない状況であるため、非常に抽象的なレベルで考えることが理にかなっています。そのため、この基本的な量子力学的処理が役立つことがわかりました。」
時間の矢に関するロイドの大きなアイデアが失敗に終わってから 26 年が経ち、彼はその上昇を目の当たりにして喜んでおり、ブラック ホールの情報のパラドックスに関する最近の研究でそのアイデアを適用しています。 「今では、これには物理学があるというのがコンセンサスになると思います」と彼は言いました。
ちょっとした哲学は言うまでもありません。
科学者によると、過去は覚えているが未来は覚えていない私たちの能力は、歴史的に紛らわしいもう1つの時間の矢の現れであり、相互作用する粒子間の相関関係の蓄積として理解することもできます.一枚の紙に書かれたメッセージを読むと、脳は目に到達する光子を通じてメッセージと関連付けられます。その瞬間からのみ、メッセージが何を言っているのかを思い出すことができます。ロイドが言うように、「現在は、私たちの環境と相関するプロセスによって定義できます。」
宇宙全体でエンタングルメントが着実に成長している背景には、もちろん時間そのものがあります。物理学者たちは、時間の変化がどのように起こるかを理解することは大きく進歩したにもかかわらず、時間自体の性質や、時間が空間の 3 次元とは (知覚的にも量子力学の方程式においても) 異なっているように見える理由を明らかにすることに関しては進歩していないと強調している。 Popescu はこれを「物理学における最大の未知数の 1 つ」と呼んでいます。
「1時間前、私たちの脳はより少ないものと相関する状態にあったという事実について議論することができます」と彼は言いました. 「しかし、時間が流れているという私たちの認識は、まったく別の問題です。おそらく、それを教えてくれる物理学のさらなる革命が必要になるでしょう。」
