211service.com
Fysikere demonstrerer, hvordan man vender om tidens pil
En af de mere nysgerrige udfordringer i fysik er at forstå tidens natur. På det mikroskopiske plan er fysikkens love symmetriske med hensyn til tid - de fungerer lige så godt, uanset om tiden løber frem eller tilbage. Men på det makroskopiske niveau har processer alle en foretrukken retning. Den store fysiker Arthur Eddington kaldte dette tidens pil.
Netop hvorfor denne pil peger i den ene retning, men ikke den anden, er et af de store videnskabelige gåder. Standardsvaret er, at tidens pil følger af termodynamikkens anden lov – at uorden eller entropi altid øges i et lukket system.
Det er grunden til, at mælk nemt blandes i te, men aldrig kommer ud af en bryg, hvorfor røræg aldrig spontant forvandles, og hvorfor dit morgenkrus med kaffe varmer dine hænder, mens du holder det og ikke omvendt.
Men der er en anden faktor, der virker - universets begyndelsesbetingelser. Af ukendte årsager var det tidlige univers varmt og dets energi fordelt jævnt. Dette er en laventropitilstand for et system, der er domineret af tyngdekraften.
Over tid er entropien løbende steget, og det er det, der i høj grad har bestemt tidens pil.
Men det giver en interessant mulighed. Hvis begyndelsesforholdene bestemmer tidens pil, er det måske muligt at skabe systemer på Jorden med begyndelsesbetingelser, der tvinger tidens pil til at løbe i den modsatte retning. I disse systemer, æg kunne spontan afkrydsning og varme kunne flyde fra kolde genstande til varme.
I dag har Kaonan Micadei ved Federal University of ABC i Brasilien og et par venner bygget et sådant system for første gang. I deres eksperiment løber tidens pil baglæns, hvilket giver dem mulighed for at observere en kold genstand, der opvarmer en varmere. Værket rejser muligheden for en ny generation af enheder, hvor tidens pil løber baglæns.
Det eksotiske nye system er en blanding af chloroform opløst i neglelakfjerner eller acetone. Chloroform-CHCl3-består af et enkelt carbonatom, et enkelt hydrogenatom og tre chloratomer.
Dette skaber en perfekt legeplads for kvantefysikere, som er i stand til at manipulere de nukleare spins af enkelte kulstof- og brintkerner ved hjælp af en teknik kaldet kernemagnetisk resonans.
Ideen er at justere kernerne ved hjælp af et stærkt magnetfelt. Fysikere bruger derefter radioimpulser til at vende et eller begge spins, hvilket får dem til at blive korreleret eller viklet ind. Og ved at lytte til de radiosignaler, som kernerne udsender, kan fysikerne finde ud af, hvordan kernernes kvantetilstande udvikler sig.
Samtidig er kulstof- og brintkernerne i termisk kontakt, hvilket betyder, at varmeenergi kan strømme fra den ene til den anden. Holdet kan kontrollere temperaturen på begge kerner ved selektivt at opvarme dem ved hjælp af kernemagnetisk resonans. Når den ene kerne er varmere end den anden, strømmer varmen naturligt fra den varme til den koldere.
I det nye eksperiment har Micadei og co observeret det modsatte. Og nøglen er at vikle kernerne ind på forhånd. Entanglement er den mærkelige kvanteproces, hvor to kvantepartikler deler den samme eksistens. Det er dette fænomen, som Micadei og co har udnyttet til at skabe det unikke sæt af begyndelsesbetingelser, der tillader tiden at løbe baglæns.
Når kernerne er viklet ind, sætter korrelationen ekstra begrænsninger for partiklernes måde at opføre sig på, hvilket resulterer i en slags motor, der driver varmeenergi i den modsatte retning. Vi observerer en spontan varmestrøm fra det kolde til det varme system, siger holdet.
Det har vigtige implikationer for vores forståelse af tid og dens forhold til sammenfiltring og entropi. Vores resultater på tidens termodynamiske pil kan også have stimulerende konsekvenser på tidens kosmologiske pil, siger Micadei og co, og antyder, at lignende korrelationer kan være ansvarlige for universets begyndelsesbetingelser.
En væsentlig pointe i dette arbejde er, at fænomenet ikke er begrænset til mikroskopiske systemer. Faktisk arbejder disse NMR-eksperimenter på en makroskala, hvor et stort antal molekyler bidrager til det observerede signal. Så resultatet kan også tillade en ny generation af enheder, der driver varme fra kolde områder til varme.
Interessant arbejde om det grundlæggende i tiden.
Ref: arxiv.org/abs/1711.03323 : Reversering af tidens termodynamiske pil ved hjælp af kvantekorrelationer