Kopi mendingin, bangunan runtuh, telur pecah, dan bintang-bintang keluar di alam semesta yang ditakdirkan untuk bergeser ke monoton menjemukan yang dikenal sebagai kesetimbangan termal. Astronom dan filsuf Sir Arthur Eddington (Arthur Eddington) menyatakan pada tahun 1927 bahwa disipasi energi secara bertahap adalah bukti tidak dapat diubahnya "panah waktu".
Tetapi yang membingungkan seluruh generasi fisikawan, konsep panah waktu tidak sesuai dengan hukum dasar fisika, yang pada waktunya bertindak baik ke arah depan maupun ke arah berlawanan. Menurut hukum ini, jika seseorang mengetahui jalur semua partikel di alam semesta dan membalikkannya, energi akan terakumulasi dan bukannya menghilang: kopi dingin akan mulai memanas, bangunan akan bangkit dari reruntuhan, dan sinar matahari akan diarahkan kembali ke Matahari.
“Kami mengalami kesulitan dalam fisika klasik,” kata Profesor Sandu Popescu, yang mengajar fisika di Universitas Bristol di Inggris. "Jika saya tahu lebih banyak, dapatkah saya membalikkan keadaan dan mengumpulkan semua molekul dalam telur yang pecah?"
Tentu saja, katanya, panah waktu tidak diatur oleh ketidaktahuan manusia. Namun, sejak dimulainya termodinamika pada tahun 1850-an, satu-satunya cara yang diketahui untuk menghitung perambatan energi adalah rumus untuk distribusi statistik dari lintasan partikel yang tidak diketahui dan demonstrasi bahwa ketidaktahuan dari waktu ke waktu mengaburkan gambaran berbagai hal.
Fisikawan sekarang menemukan sumber yang lebih mendasar dari panah waktu. Energi menghilang, dan objek mencapai kesetimbangan, kata mereka, karena partikel elementer terjerat selama interaksi. Mereka menyebut efek aneh ini "pencampuran kuantum", atau keterjeratan.
"Kami akhirnya dapat memahami mengapa secangkir kopi di sebuah ruangan menjadi seimbang dengannya," kata fisikawan kuantum yang berbasis di Bristol Tony Short. "Ada kebingungan antara keadaan cangkir kopi dan keadaan ruangan."
Popescu, Short dan rekan mereka Noah Linden dan Andreas Winter melaporkan penemuan mereka di Physical Review E pada 2009, menyatakan bahwa objek mencapai kesetimbangan, atau energi terdistribusi merata, tanpa batas waktu lama karena pencampuran mekanis kuantum dengan lingkungan. Penemuan serupa beberapa bulan sebelumnya dibuat oleh Peter Reimann dari Bielefeld University di Jerman, setelah menerbitkan temuannya di Physical Review Letters. Short dan rekannya mendukung kasus mereka pada tahun 2012 dengan menunjukkan bahwa keterjeratan menyebabkan keseimbangan dalam waktu yang terbatas. Dan dalam makalah yang diterbitkan pada bulan Februari di arXiv. org, dua tim terpisah telah mengambil langkah berikutnya, menghitung bahwa sebagian besar sistem fisik dengan cepat menyeimbangkan dalam waktu yang berbanding lurus dengan ukurannya."Untuk menunjukkan bahwa ini berlaku untuk dunia fisik nyata kita, prosesnya harus berlangsung dalam kerangka waktu yang wajar," kata Short.
Kecenderungan kopi (dan segala sesuatu lainnya) untuk mencapai keseimbangan adalah "sangat intuitif," kata Nicolas Brunner, fisikawan kuantum di Universitas Jenewa. "Tapi dalam menjelaskan alasan untuk ini, untuk pertama kalinya kami memiliki dasar yang kokoh dengan mempertimbangkan teori mikroskopis."
Video promosi:
Jika garis penelitian baru itu benar, maka sejarah panah waktu dimulai dengan ide mekanika kuantum bahwa alam pada dasarnya tidak dapat ditentukan. Partikel elementer tidak memiliki sifat fisik tertentu, dan hanya ditentukan oleh probabilitas berada dalam keadaan tertentu. Misalnya, pada saat tertentu, sebuah partikel dapat berputar searah jarum jam dengan probabilitas 50% dan berlawanan arah jarum jam dengan probabilitas 50%. Teorema yang diuji secara eksperimental dari fisikawan Irlandia Utara John Bell menyatakan bahwa tidak ada keadaan partikel yang "sebenarnya"; probabilitas adalah satu-satunya hal yang dapat digunakan untuk menggambarkannya.
Ketidakpastian kuantum pasti menyebabkan kebingungan - dugaan sumber panah waktu.
Ketika dua partikel berinteraksi, mereka tidak dapat lagi dijelaskan oleh probabilitas yang terpisah dan berkembang secara independen yang disebut "keadaan murni". Sebaliknya, mereka menjadi komponen terjerat dari distribusi probabilitas yang lebih kompleks yang menggambarkan dua partikel bersama-sama. Mereka dapat, misalnya, menunjukkan bahwa partikel berputar ke arah yang berlawanan. Sistem secara keseluruhan dalam keadaan murni, tetapi keadaan setiap partikel "bercampur" dengan keadaan partikel lainnya. Kedua partikel tersebut dapat berpindah beberapa tahun cahaya, tetapi rotasi satu partikel akan berkorelasi dengan yang lain. Albert Einstein menggambarkannya dengan baik sebagai "tindakan menyeramkan dari kejauhan".
"Keterikatan, dalam arti tertentu, adalah inti dari mekanika kuantum," atau hukum yang mengatur interaksi pada skala subatom, kata Brunner. Fenomena ini merupakan inti dari komputasi kuantum, kriptografi kuantum, dan teleportasi kuantum.
Gagasan bahwa kebingungan dapat menjelaskan panah waktu pertama kali muncul di benak Seth Lloyd 30 tahun yang lalu ketika dia adalah lulusan Filsafat berusia 23 tahun dari Universitas Cambridge dengan gelar Harvard di bidang fisika. Lloyd menyadari bahwa ketidakpastian kuantum dan penyebarannya saat partikel menjadi lebih terjerat dapat menggantikan ketidakpastian manusia (atau ketidaktahuan) dalam bukti klasik kuno dan menjadi sumber panah waktu yang sebenarnya.
Dengan menggunakan pendekatan mekanika kuantum yang tidak banyak diketahui, di mana unit informasi adalah blok bangunan dasar, Lloyd menghabiskan beberapa tahun mempelajari evolusi partikel dalam kaitannya dengan pengocokan satu dan nol. Dia menemukan bahwa ketika partikel menjadi semakin bercampur satu sama lain, informasi yang menggambarkannya (misalnya, 1 untuk rotasi searah jarum jam, dan 0 untuk berlawanan arah jarum jam), akan menjelaskan sistem partikel yang terjerat secara keseluruhan. Partikel-partikel itu tampaknya secara bertahap kehilangan kemerdekaannya dan menjadi pion negara kolektif. Seiring waktu, semua informasi ditransfer ke kelompok kolektif ini, sementara partikel individu tidak memilikinya sama sekali. Pada titik ini, seperti yang ditemukan Lloyd, partikel-partikel memasuki keadaan kesetimbangan, dan keadaan mereka berhenti berubah, seperti secangkir kopi yang mendingin hingga suhu kamar.
“Apa yang sebenarnya terjadi? Hal-hal menjadi lebih saling berhubungan. Panah waktu adalah panah pertumbuhan korelasi."
Ide ini, dijabarkan dalam disertasi doktor Lloyd pada tahun 1988, tidak diperhatikan. Ketika ilmuwan mengirim artikel tentang ini ke kantor editorial jurnal, dia diberitahu bahwa "tidak ada fisika dalam karya ini." Teori informasi kuantum "sangat tidak populer" pada saat itu, kata Lloyd, dan pertanyaan tentang panah waktu "adalah banyak orang gila dan pemenang Nobel yang gila."
“Saya hampir menjadi supir taksi,” katanya.
Sejak itu, kemajuan dalam komputasi kuantum telah menjadikan teori informasi kuantum sebagai salah satu bidang fisika yang paling aktif. Lloyd saat ini adalah seorang profesor di Massachusetts Institute of Technology, dia diakui sebagai salah satu pendiri disiplin ini, dan ide-idenya yang terlupakan dihidupkan kembali oleh upaya fisikawan dari Bristol. Bukti baru lebih umum, kata para ilmuwan, dan berlaku untuk sistem kuantum apa pun.
“Ketika Lloyd mempresentasikan gagasan itu dalam disertasinya, dunia belum siap untuk itu,” kata Renato Renner, kepala Institut Fisika Teoretis di Sekolah Teknik Tinggi Swiss di Zurich. - Tidak ada yang mengerti dia. Terkadang Anda membutuhkan ide untuk datang pada saat yang tepat."
Pada tahun 2009, bukti dari tim fisikawan Bristol beresonansi dengan ahli teori informasi kuantum, yang menemukan cara baru untuk menerapkan metode mereka. Mereka menunjukkan bahwa saat objek berinteraksi dengan lingkungannya - saat partikel dalam secangkir kopi berinteraksi dengan udara - informasi tentang properti mereka "bocor dan menyebar melalui lingkungan ini," jelas Popescu. Hilangnya informasi yang dilokalkan ini menyebabkan keadaan kopi tetap tidak berubah, meskipun keadaan bersih seluruh ruangan terus berubah. Dengan pengecualian fluktuasi acak yang langka, ilmuwan tersebut mengatakan, "keadaannya berhenti berubah seiring waktu."
Ternyata secangkir kopi dingin tidak bisa langsung memanas. Pada dasarnya, seiring berkembangnya keadaan bersih sebuah ruangan, kopi dapat tiba-tiba keluar dari udara di dalam ruangan dan kembali ke keadaan bersih. Tetapi ada lebih banyak keadaan campuran daripada keadaan murni, dan secara praktis kopi tidak akan pernah bisa kembali ke keadaan murni. Untuk melihat ini, kita harus hidup lebih lama dari alam semesta. Probabilitas statistik yang rendah ini membuat panah waktu tidak dapat diubah. “Pada dasarnya, mixing membuka ruang yang sangat besar bagi kami,” kata Popescu. - Bayangkan Anda berada di taman dengan gerbang di depan Anda. Segera setelah Anda memasukinya, Anda tidak seimbang, menemukan diri Anda berada di ruang yang luas dan tersesat di dalamnya. Anda tidak akan pernah kembali ke gerbang."
Dalam sejarah baru panah waktu, informasi hilang dalam proses keterikatan kuantum, bukan karena kurangnya pengetahuan manusia secara subjektif tentang apa yang membuat secangkir kopi dan ruangan menjadi seimbang. Ruangan pada akhirnya seimbang dengan bagian luar, dan lingkungan bergerak lebih lambat lagi menuju keseimbangan dengan alam semesta lainnya. Raksasa termodinamika abad ke-19 memandang proses ini sebagai disipasi energi secara bertahap yang meningkatkan total entropi, atau kekacauan, alam semesta. Saat ini, Lloyd, Popescu dan lainnya di lapangan melihat panah waktu secara berbeda. Menurut mereka, informasi menjadi semakin tersebar, tetapi tidak pernah hilang sama sekali. Meskipun entropi tumbuh secara lokal, total entropi alam semesta tetap konstan dan nol.
“Secara keseluruhan, alam semesta dalam kondisi murni,” kata Lloyd. "Tapi masing-masing bagiannya, yang terjalin dengan bagian alam semesta lainnya, menjadi tercampur."
Tapi satu misteri panah waktu masih belum terpecahkan. “Tidak ada dalam karya ini yang menjelaskan mengapa Anda mulai dari gerbang,” kata Popescu, kembali ke analogi taman. "Dengan kata lain, mereka tidak menjelaskan mengapa keadaan awal alam semesta jauh dari kesetimbangan." Ilmuwan mengisyaratkan bahwa pertanyaan ini berkaitan dengan sifat Big Bang.
Meskipun ada kemajuan baru-baru ini dalam penghitungan waktu ekuilibrasi, pendekatan baru ini tetap tidak dapat menjadi alat untuk menghitung sifat termodinamika benda-benda tertentu seperti kopi, gelas, atau keadaan materi yang tidak biasa. (Beberapa ahli termodinamika tradisional mengatakan mereka tahu sangat sedikit tentang pendekatan baru.) "Intinya adalah, Anda harus menemukan kriteria hal-hal yang berperilaku seperti kaca jendela dan hal-hal seperti secangkir teh," kata Renner. "Saya pikir saya akan melihat pekerjaan baru ke arah ini, tetapi masih banyak yang harus dilakukan."
Beberapa peneliti telah mempertanyakan apakah pendekatan abstrak terhadap termodinamika ini akan mampu menjelaskan secara akurat bagaimana perilaku pengamatan tertentu. Tetapi kemajuan konseptual dan seperangkat rumus matematika baru sudah membantu para peneliti untuk mengajukan pertanyaan teoretis dari bidang termodinamika, seperti keterbatasan fundamental komputer kuantum dan bahkan nasib akhir alam semesta.
“Kami semakin memikirkan tentang apa yang dapat dilakukan dengan mesin kuantum,” kata Paul Skrzypczyk dari Institute of Photonic Sciences di Barcelona. - Misalkan sistem belum berada dalam ekuilibrium, dan kita ingin membuatnya bekerja. Seberapa banyak pekerjaan bermanfaat yang dapat kita ekstrak? Bagaimana saya bisa campur tangan untuk melakukan sesuatu yang menarik?"
Ahli teori kosmologi Caltech, Sean Carroll, menerapkan rumus baru dalam karya terbarunya tentang panah waktu dalam kosmologi. "Saya tertarik pada nasib jangka panjang ruang-waktu kosmologis," kata Carroll, yang menulis From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (From infinity here. Search for a finite theory of time). "Dalam situasi ini, kita masih belum mengetahui semua hukum fisika yang diperlukan, jadi masuk akal untuk beralih ke tingkat abstrak, dan di sini, saya pikir, pendekatan kuantum-mekanis ini akan membantu kita."
Dua puluh enam tahun setelah kegagalan ide megah Lloyd tentang panah waktu, dia menikmati kebangkitannya dan mencoba menerapkan ide-ide dari karya terakhir ke paradoks informasi yang jatuh ke dalam lubang hitam. “Saya pikir sekarang mereka akan mulai berbicara tentang fakta bahwa ada fisika dalam ide ini,” katanya.
Dan filosofi lebih dari itu.
Menurut para ilmuwan, kemampuan kita untuk mengingat masa lalu tetapi bukan masa depan, yang merupakan manifestasi panah waktu yang membingungkan, juga dapat dilihat sebagai peningkatan korelasi antara partikel yang berinteraksi. Ketika Anda membaca catatan di selembar kertas, otak berkorelasi dengan informasi melalui foton yang masuk ke mata Anda. Hanya mulai saat ini Anda dapat mengingat apa yang tertulis di atas kertas. Seperti yang dicatat Lloyd, "saat ini dapat dicirikan sebagai proses membangun korelasi dengan lingkungan kita."
Latar belakang untuk pertumbuhan tenun yang stabil di seluruh alam semesta, tentu saja, adalah waktu itu sendiri. Fisikawan menekankan bahwa meskipun ada kemajuan besar dalam memahami bagaimana perubahan terjadi dari waktu ke waktu, mereka belum selangkah lebih dekat untuk memahami sifat waktu itu sendiri atau mengapa ia berbeda dari tiga dimensi ruang lainnya (secara konseptual dan dalam persamaan mekanika kuantum) … Popescu menyebut teka-teki ini "salah satu hal yang paling tidak diketahui dalam fisika."
"Kita dapat mendiskusikan bahwa satu jam yang lalu otak kita berada dalam keadaan yang berkorelasi dengan lebih sedikit hal," katanya. “Tapi persepsi kami bahwa waktu berlalu adalah masalah yang sama sekali berbeda. Kemungkinan besar, kita akan membutuhkan revolusi baru dalam fisika yang akan menjelaskan hal ini."
