私たちの時間の経験は均一で一方向であるように見えますが、相対性理論では、それが予想よりも少し緩いものになる可能性があります。
たとえば、強い重力場では、まるで重力自体が引きずっているかのように、時間は遠くにある時間と比べて遅く流れます。
同様に、十分な速度で旅行している場合は、後ろに留まっている人に比べて、時間の経過が遅くなります。
これらの例では、時間は依然として一方向にのみ流れます。
しかし、相対性理論を超えて量子力学の領域に目を向けると、時間が単に遅くなるだけでなく、事実上逆行する可能性という別の可能性が浮上します。
しかし、そうなった場合はどうなるでしょうか?この疑問を数学的に新たに調査した結果、驚くべき答えが得られました。それは、量子環境自体が、時間をどれだけ遡ることが効果的に実行できるかに制限を課しているということです。
そしてそれは非常に短いです。
テルアビブ大学の物理学者ヤキル・アハロノフとイスラエル高等研究所のアヴシャロム・C・エリツルが研究した最も単純なモデルでは、時間は約1フェムト秒、つまり1京分の1秒しか事実上逆戻りできません。
彼らの研究は、arXiv にアップロードされたプレプリントで詳しく説明されています。
フレームボーダー=”0″ 許可=”加速度計;自動再生;クリップボード書き込み;暗号化されたメディア。ジャイロスコープ;ピクチャー・イン・ピクチャー。 web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin” allowedfullscreen>アハロノフにとって逆転ロデオはこれが初めてではない。
1990 年に、彼と彼の同僚は、量子時間変換マシンと呼ばれる理論的装置を提案しました。これは、量子力学の奇妙な特性を利用して、システムをあたかも時間が早まったり、止まったり、あるいは逆行したりするように動作させることができます。
このアイデアは、システムが一度に異なる可能な状態の組み合わせで存在できる重ね合わせと呼ばれる量子力学の奇妙さにかかっています。
このような重ね合わせ状態にある時計があり、重力場の 2 つの異なる位置を同時に占めていると想像してください。時間の経過速度に影響を与えるほどの重力の強さの差があります。
ある位置、つまり重力場の奥深くでは、時間の経過がより遅くなります。もう一方の、より遠くにある場所では、時間の経過がより速くなります。
量子力学では両方の可能性が共存できます。そして、時計の 2 つの枝が元に戻されると、互いに干渉する可能性があります。
ここで事態は奇妙になります。物理学者は、その干渉の特定の結果を選択すること (ポスト選択と呼ばれるプロセス) により、理論的には、どちらの可能性の範囲外の時間を経験したかのように時計を動作させることができます。
これは、どちらかのブランチに経過した時間よりも長い時間を意味する可能性があります。それはまったく時間がないことを意味するかもしれません。あるいは、まるで時計が逆進しているかのように、マイナスの時間を意味することもあります。
36 年が経った今、アハロノフとエリツルは、特に厄介な問題を調査するという考えに立ち返った。それは、「あのマイナスの時間が実際にどこまで続くのか?」というものだった。
この概念は実験的に実現されたものではなく理論的なものであるため、二人は数学に目を向けて、機械の 4 つのわずかに異なる構成を調査しました。
しかし、始める前に、一見単純な質問に答えなければなりませんでした。
時間を逆行させることに成功したとします。一体どうやって証明するんですか？
そして、ここは少しの原子崩壊が床を盗む場所です。
原子がエネルギーを吸収すると、その電子の 1 つがより高いエネルギー レベルにジャンプし、原子をいわゆる励起状態にすることができます。
しかし、原子は少し怠け者で、非励起状態 (関連性のある状態) に戻る傾向があります。最終的に、電子はより低いエネルギー レベルに戻り、過剰なエネルギーを光子として放出します。このプロセスは自然放出と呼ばれ、通常の状況では一方向にしか進みません。
そこで研究者らは、すでに崩壊が始まっている原子の集合から始めて、理論上の機械がその過程を逆転できるかどうかを確認することを提案した。
100 個の励起原子があると想像してください。彼らの何人かがエネルギーを解放し、興奮したままの 80 人だけが残るまで待ちます。
さて、これら 100 個の原子を理論上のタイムマシンにかけるとしましょう。
最終的に励起原子が 80 個を超えた場合、マシンはすでに起こった崩壊の一部を効果的に逆転させたことになります。
さて、本当に時間が逆行したとしたら、放出された光は原子に戻り、原子を励起状態に戻す必要があり、これが新たな問題を引き起こすことになります。光子はすでにどこかへ行ってしまったか、何か他のものに吸収された可能性があります。
これらすべてを説明するために、アハロノフとエリツルは、原子を完全に密閉された細胞内に、原子が発する光とそれを吸収できる壁とともに閉じ込めることを想像しました。
その後、セル全体が理論上の機械を通過するため、研究者はプロセス全体を効果的に元に戻すことができるかどうかを調査できるようになります。
そしてここで、かなり厳しい障壁が出現しました。
密閉された細胞の内部であっても、原子は孤立して存在しているわけではありません。光を発すると周囲の電磁場と相互作用し、何が起こったのかの痕跡を残します。
マシンの最も単純なバージョンでは、減衰を逆転させることは、干渉する可能性のある 2 つの歴史に必要な量子コヒーレンスを保持する相互作用に依存します。
しかし、その窓は長く開いたままではありません。
研究者の光学的な例では、それは約 1 フェムト秒続きます。
さらに、環境は、最も単純な 2 分岐マシンが望ましい逆転を生み出すためには、排出に関する情報が多すぎるため事実上保持されています。
したがって、制限は時間によって課されるのではなく、環境の光の記憶によって課されます。
マシンのより精巧なバージョンでは、理論的にはより長い間隔を逆転させることができますが、それははるかに多くの量子分岐を導入することによってのみであり、成功の可能性はますます低くなります。
しかし、今あなたが疑問に思っているのは間違いなく、熱力学の第 2 法則について何でしょうか?重要な点、賢明な読者、そして研究者が直接言及した点。
https://www.youtube.com/watch?v=kffffy12uQ7g フレームボーダー=”0″ 許可=”加速度計;自動再生;クリップボード書き込み;暗号化されたメディア。ジャイロスコープ;ピクチャー・イン・ピクチャー。 web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin” allowedfullscreen>熱力学の第 2 法則によれば、孤立系の総エントロピーは決して減少しません。自然のプロセスは、より秩序のある状態からより秩序のない状態へ、一方向に進む傾向があります。
アーサー・エディントン卿が簡潔に述べたように、「もしあなたの理論が熱力学の第二法則に反していると判明したら、私はあなたに希望を与えることはできません。それは、最も深い屈辱の中で崩壊する以外に何もありません。」
しかし、もし時間が逆行できるとしたら、それは第二法則に違反することになるのではないだろうか？まあ、必ずしもそうとは限りません。
抜け穴は事後選定にある。明らかな時間の逆転は、他のすべての結果から慎重に選択された、起こり得る結果のごく一部でのみ発生します。
すべての結果を総合して考慮すると、システム全体は依然として熱力学の第 2 法則に従います。エントロピーは魔法のように全体的に減少し始めたわけではありません。
したがって、アハロノフとエリッツァーの理論的機械は、物理学の最も基本的な法則の 1 つを覆すことなく、時間が逆行しているように見えるものを作り出すことができ、こうしてエディントンの脅迫的な屈辱を回避することができます。
しかし、なぜそのような異常な努力をして、卵っぽい顔を危険にさらすのでしょうか？
問題は実際に、物事を時間を遡って送信するマシンを構築できるかどうかではないからです。そもそも時間が一方向にしか進まないように見えるのはこのためです。
物理学の基本方程式の多くは、順方向と同様に逆方向にも機能します。しかし、私たちが経験する世界には、元に戻すのが不可能に思えるプロセスがたくさんあります。
アハロノフ氏とエリツル氏の研究は、量子時間反転がどこで破綻するかを正確に特定することで、物理学者が環境がどのようにして私たちの時間経験を定義する不可逆プロセスを引き起こすのかを理解するのに役立つ可能性がある。
「時間の矢は機械が停止した場所に正確に進入する」と研究者らは書いている。
研究はプレプリント サーバー arXiv で入手できます。
この記事は Carly Cassella によって事実確認され、Carly Cassella によって編集されました。私たちは自分たちのプロセスに誇りを持っていますが、私たちはただの人間です。間違いを見つけた場合はお知らせください。
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