211service.com
Natuurkundigen demonstreren hoe je de pijl van de tijd kunt omkeren
Een van de meer merkwaardige uitdagingen in de natuurkunde is om de aard van tijd te begrijpen. Op microscopisch niveau zijn de wetten van de natuurkunde symmetrisch met betrekking tot tijd - ze werken net zo goed, of de tijd nu vooruit of achteruit loopt. Maar op macroscopisch niveau hebben processen allemaal een voorkeursrichting. De grote natuurkundige Arthur Eddington noemde dit de pijl van de tijd.
Waarom deze pijl in de ene richting wijst, maar niet de andere, is een van de grote wetenschappelijke puzzels. Het standaardantwoord is dat de tijdpijl volgt uit de tweede wet van de thermodynamica - die wanorde, of entropie, neemt altijd toe in een gesloten systeem.
Daarom mengt melk zich gemakkelijk in thee maar komt nooit uit een brouwsel, waarom roereieren nooit spontaan uit elkaar komen, en waarom je ochtendmok koffie je handen verwarmt terwijl je hem vasthoudt en niet andersom.
Maar er is nog een andere factor aan het werk: de beginvoorwaarden van het universum. Om onbekende redenen was het vroege heelal heet en was de energie gelijkmatig verdeeld. Dit is een toestand met lage entropie voor een systeem dat wordt gedomineerd door zwaartekracht.
In de loop van de tijd is de entropie voortdurend toegenomen, en dit heeft grotendeels de pijl van de tijd bepaald.
Maar dat roept een interessante mogelijkheid op. Als de beginvoorwaarden de pijl van de tijd bepalen, is het misschien mogelijk om op aarde systemen te creëren met beginvoorwaarden die de tijdpijl in de tegenovergestelde richting dwingen. In deze systemen, eieren zou kunnen spontaan ontcijferen en verhitten zou kunnen stromen van koude naar warme voorwerpen.
Vandaag hebben Kaonan Micadei van de Federale Universiteit van ABC in Brazilië en een paar vrienden voor het eerst zo'n systeem gebouwd. In hun experiment loopt de pijl van de tijd in omgekeerde volgorde, waardoor ze een koud object kunnen observeren dat een warmer object opwarmt. Het werk roept de mogelijkheid op van een nieuwe generatie apparaten waarin de tijdspijl terugloopt.
Het exotische nieuwe systeem is een mengsel van chloroform opgelost in nagellakremover of aceton. Chloroform - CHCl3 - bestaat uit een enkel koolstofatoom, een enkel waterstofatoom en drie chlooratomen.
Dit creëert een perfecte speeltuin voor kwantumfysici, die in staat zijn de kernspins van enkele koolstof- en waterstofkernen te manipuleren met behulp van een techniek die nucleaire magnetische resonantie wordt genoemd.
Het idee is om de kernen uit te lijnen met behulp van een sterk magnetisch veld. Natuurkundigen gebruiken vervolgens radiopulsen om een of beide spins om te draaien, waardoor ze gecorreleerd of verstrengeld raken. En door te luisteren naar de radiosignalen die door de kernen worden uitgezonden, kunnen de natuurkundigen achterhalen hoe de kwantumtoestanden van de kernen evolueren.
Tegelijkertijd staan de koolstof- en waterstofkernen in thermisch contact, waardoor warmte-energie van de ene naar de andere kan stromen. Het team kan de temperatuur van beide kernen regelen door ze selectief te verwarmen met behulp van nucleaire magnetische resonantie. Wanneer de ene kern heter is dan de andere, stroomt er van nature warmte van de hete naar de koudere.
In het nieuwe experiment hebben Micadei en co het tegenovergestelde waargenomen. En de sleutel is om de kernen van tevoren te verstrengelen. Verstrengeling is het vreemde kwantumproces waarbij twee kwantumdeeltjes hetzelfde bestaan delen. Het is dit fenomeen dat Micadei en co hebben uitgebuit om de unieke set van beginvoorwaarden te creëren waardoor de tijd achteruit kan lopen.
Wanneer de kernen verstrengeld zijn, stelt de correlatie extra grenzen aan het gedrag van de deeltjes, wat resulteert in een soort motor die warmte-energie in de tegenovergestelde richting aandrijft. We zien een spontane warmtestroom van het koude naar het warme systeem, zegt het team.
Dat heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van tijd en zijn relatie tot verstrengeling en entropie. Onze resultaten met betrekking tot de thermodynamische pijl van de tijd kunnen ook stimulerende gevolgen hebben voor de kosmologische pijl van de tijd, zeggen Micadei en co, wat erop wijst dat vergelijkbare correlaties verantwoordelijk kunnen zijn voor de beginvoorwaarden van het universum.
Een belangrijk punt in dit werk is dat het fenomeen niet beperkt is tot microscopische systemen. Deze NMR-experimenten werken inderdaad op macroschaal waarin enorme aantallen moleculen bijdragen aan het waargenomen signaal. Het resultaat kan dus ook een nieuwe generatie apparaten mogelijk maken die warmte van koude naar warme gebieden sturen.
Interessant werk over de grondbeginselen van tijd.
Referentie: arxiv.org/abs/1711.03323 : De thermodynamische pijl van de tijd omkeren met behulp van kwantumcorrelaties