W układzie kwantowym informacje o stanie układu w danym momencie mogą mieć wpływ na wynik przeprowadzonego wcześniej pomiaru. Taki wniosek sformułowano w drodze eksperymentu na obwodzie nadprzewodzącym utrzymywanym w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego. Uzyskane wyniki wydają się potwierdzać tezę, że czas w świecie mikroskopowym płynie w inny sposób niż w makroświecie, z odmiennym rozróżnieniem przeszłości i przyszłości.
W układzie kwantowym przyszłość może zmienić przeszłość, wpływając na powszechnie panujące pojęcie upływu czasu i przyczynowości. Taką interpretację wyników przeprowadzonego niedawno nowego doświadczenia przedstawił zespół naukowców na czele z Kater’em Murch’em z Washington University w St. Louise w artykule na łamach Physical Review Letters.
Mechanika kwantowa to dziedzina fizyki zajmująca się opisem zachowań układów mikroskopowych, takich jak atomy i cząsteczki. Jedną z jej osobliwości jest ta, że jej zasady mają charakter probabilistyczny, co oznacza, że nie można przewidzieć z całą pewnością wyniku pojedynczego pomiarowego eksperymentu, lecz wyłącznie prawdopodobieństwo uzyskania określonego rezultatu.
Z ortodoksyjnego punktu widzenia ta niepewność nie stanowi wady teorii kwantów, ale jest naturalnym faktem. Stan cząsteczki nie jest nieznany, ale wewnętrznie nieokreślony, aż do momentu, kiedy następuje pomiar, który to zmusza cząsteczkę do „zawieszenia się” w danym stanie.
Murch i jego współpracownicy wykorzystali do swych badań prosty obwód nadprzewodzący, który zaczyna się zachowywać w sposób kwantowy po schłodzeniu do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu. Co więcej, urządzenie to posiada dwa poziomy energetyczne: podstawowy i wzbudzony, pomiędzy którymi występuje nieskończona liczba kombinacji obu tych poziomów, które są – używając bardziej precyzyjnych określeń – superpozycjami stanów kwantowych.
W procesie doświadczalnym obwód nadprzewodzący jest wprowadzany w interakcję z kilkoma fotonami w widmie mikrofalowym, które – po zaszłej interakcji – niosą informacje o stanie kwantowym układu. Istotną kwestią jest ta, że pomiar ten jest rodzajem pomiaru „słabego”, ponieważ nie przeszkadza układowi, w przeciwieństwie do pomiarów „silnych” otrzymywanych przy pomocy fotonów rezonansowych, czyli takich, które mają częstotliwość równą, za wyjątkiem jednej stałej, różnicy energii dwóch stanów kwantowych.
W przedmiotowym eksperymencie naukowcy na czele z Murch’em opracowali układ w superpozycji stanów i dokonali najpierw pomiaru „silnego”, którego wynik jednak pozostawał ukryty, po czym badali ewolucję układu przy pomocy pomiarów „słabych”.
Przy próbie obliczenia możliwego wyniku silnego pomiaru, jedynie na podstawie informacji posiadanych wcześniej od dokonania tego pomiaru, prawdopodobieństwo wynosi 50%-50% w przypadku obu stanów. Jeśli natomiast oblicza się możliwy wynik wstecz w oparciu o informacje uzyskane z pomiarów słabych, prawdopodobieństwo zawęża się do 90%-10%.
Wyniki te są zaskakujące: to tak jakby, przez analogię, to, co zrobiliśmy dziś zmieniało to, co zrobiliśmy wczoraj. Używając bardziej technicznej terminologii, rezultat powyższego eksperymentu jest kolejnym dowodem na to, że w świecie kwantowym „strzałka czasu” nie jest taka sama jak w świecie makroskopowym.
“Nie jest jasne, dlaczego w świecie rzeczywistym, składającym się z wielu cząsteczek, czas biegnie tylko do przodu i entropia ciągle wzrasta”, mówi Murch. „Niemniej, wielu naukowców pracuje nad tym problemem i spodziewam się, że zostanie on rozwiązany w ciągu najbliższych kilku lat”.
Źródło: Physical Review Letters