一部の法律は、破ってはならないものです。熱力学の第 2 法則は、エントロピー (無秩序の尺度) が孤立した系では決して減少しないことを示しています。ガラスは粉々になり、クリームはコーヒーに溶け、卵はスクランブルになりますが、決してその逆ではありません。これが、熱が常に高温から低温に移動する理由です。そうすると、全体的なエントロピーが増加します。法則は私たちの物理的現実にとって非常に基本的なものであるため、一部の物理学者は見かけの時間の流れに関与していると信じています.
しかし、これまでと同様に、量子システムには不可侵のルールのように見えるものに不可解な例外を導入する方法があります。物理学者のチームは、冷たい量子物体から熱い量子物体への自然な熱の流れを作りました。この実験は、量子熱力学という初期の分野で探求されている情報、エントロピー、エネルギーの間の密接な関係を強調しています。
ブラジルを拠点とするチームは、炭素原子、水素原子、および 3 つの塩素原子で構成される分子を取得しました。次に、磁場を生成して、2 つの量子粒子 (「キュービット」) (炭素原子核と水素原子核) の核スピンを整列させました。これにより、原子核がリンクまたは相関し、単一の不可分な全体である 2 キュービットの量子状態に変わりました。
これらの相関関係により、不可解な動作が可能になりました。
伝統的に、エントロピーは、システムが取りうるさまざまな構成の数の尺度です。従来のシステムでは、システムのエントロピーは、その各部分のエントロピーの合計に等しくなります。
量子の世界では、相関関係がエントロピーに影響を与えます。 2 キュービット システムは、00、01、10、および 11 で示される 4 つの可能な状態のいずれかになり、そのエントロピーは、これらの各状態にある確率によって定義されます。単一量子ビットのエントロピーを相関システムのエントロピーと比較することで、研究者は相関の量を測定できます。
実験は、強く相関する 2 つの粒子から始まります。実験が進むにつれて、粒子同士のリンクが徐々に外れ、相関関係が弱まります。 「これは、個々のエントロピーの合計が減少することを意味します」と、この研究に参加した、ブラジルのサンパウロにある ABC 連邦大学の研究者であるカオナン ミカデイは述べています。
正規の無相関系で総エントロピーが突然減少した場合、それは第 2 法則に違反します。しかし、ここでは、研究者は相関関係を考慮に入れています。インペリアル・カレッジ・ロンドンの物理学者であるデビッド・ジェニングスは、相関関係の弱まりは「燃料が熱をより冷たい体からより熱い体へと駆り立てる」ことに似ていると述べた.コールド キュービットはより冷たくなり、ホット キュービットはより熱くなります。つまり、熱は冷たいものから熱いものへと流れます。これは、「相関とエントロピーの間のトレードオフ」が原因であると、ABC 連邦大学の物理学者であり、この研究の背後にある研究グループの責任者である Roberto Serra 氏は述べています。
この操作は、少なくともこの孤立したシステムでは、時間の矢を効果的に逆転させます。 「熱力学的な時間の矢は、閉じた系のエントロピーは増加するか一定のままであり、減少することはないという考えに依存しています」とミカデイは言いました。 「実験室でエントロピーが減少する隔離されたシステムを作成することにより、システムでは時間の矢が反対方向を指すはずです。」
結果は、「時間の矢は絶対的な概念ではありません。それは初期条件の選択に大きく依存するため、相対的なものです」と Serra 氏は述べています。
効果は予測されていましたが、物理的なシステムで逆転が達成されたのはこれが初めてでした。マサチューセッツ工科大学の物理学者で量子情報の専門家である Seth Lloyd 氏は、次のように述べています。
しかし、研究者たちは以前にも時間の矢をいじったことがあります。 2012 年、フランスの ESPCI ParisTech と CNRS のチームは、水の波を誘導して元の経路をたどり、波の数学的記述を時間的に逆転させました。そして 2016 年には、別のチームが、いわゆる量子ドットを使用して、時間の矢の方向を区別する普遍的な公式を検証しました。
現在の論文ではタイムマシンの構築に近づくことはできませんが、現実の世界に重要な意味を持つ可能性があります。クイーンズ大学ベルファスト校の物理学者であるマウロ・パテルノストロは、同様の効果を利用して、信じられないほど効率の高い量子ヒート ポンプを作成する方法を研究しています。 「大規模な量子サーモマシンによって提供される機会は、微視的なバージョンよりも信じられないほど大きくなるでしょう」と彼は言いました.
この作品は、宇宙の起源についての考え方にも影響を与える可能性があります。宇宙論の長年にわたる謎の 1 つは、なぜ宇宙がそのような低エントロピー構成で始まり、宇宙の歴史を通じてエントロピーが増加することを可能にしたのかということです (そして、おそらく、時間の流れを可能にしました)。エントロピーをエンタングルメントに結び付けることで、セラはこの実験が時間の宇宙論的矢についての議論に「刺激的な結果」をもたらすかもしれないことを望んでいます.
この記事は にスペイン語で転載されました Investigacionyciencia.es
