- En ny MIT-studie utforskar matematiskt kvantkanaler som gör det möjligt att skicka information till det förflutna utan att bryta mot den allmänna relativitetsteorin.
- Studien är baserad på slutna tidskurvor och kvantsammanflätning, utan behov av att flytta fysiska objekt eller bygga en tidsmaskin.
- Forskarna visar att även med brus kan dessa tillfälliga kanaler vara mer effektiva än lika felaktiga konventionella kanaler.
- Det europeiska forskarsamfundet är fortfarande försiktigt: för närvarande finns det ingen känd mekanism som möjliggör tidsresor eller att skicka verkliga signaler till det förflutna.
Idén om skicka information till det förflutna Det låter som något ur en science fiction-film, men en serie nya studier inom teoretisk fysik tvingar fram ett nytänkande kring exakt var gränserna för vad som är möjligt slutar. Långt ifrån att föreslå en konventionell tidsmaskin fokuserar forskare på hur kvantinformation rör sig och bearbetas inom rumtidens struktur.
Ett team lett av fysikern MITs Seth Lloyd med Kaiyuan Ji Och samarbetspartners från andra centra har utvecklat matematiska modeller som beskriver kvantkanaler som kan kommunicera med det förflutna, alltid inom ramen för den allmänna relativitetsteorin. Förslaget innebär inte att vi kommer att skicka WhatsApp-meddelanden till gårdagen från Europa, men det antyder att universums grundläggande lagar inte helt utesluter möjligheten att framtiden på ett mycket märkligt sätt kan påverka det som redan har hänt.
Slutna tidskurvor: när teorin tillåter att tiden fördubblas
Grunden för dessa verk ligger i ett relativistiskt koncept som kallas slutna tidskurvor (CTC)I Einsteins teori bildar rum och tid en enda enhet, rumtid, som kan krökas under inverkan av massa och energi. I vissa lösningar till hans ekvationer ger denna extrema krökning upphov till banor som rör sig in i framtiden och, efter att ha beskrivit en loop, återgår till en tidigare punkt på själva tidslinjen.
Enkelt uttryckt beskriver en sluten tidskurva ett objekts bana som börjar från ett specifikt ögonblick, rör sig framåt i tiden och, på grund av hur rumtiden deformeras, Han dyker upp igen i sitt eget förflutna.Det är en typ av matematisk lösning som har fascinerat och oroat fysiker i årtionden, eftersom den direkt väcker klassiska kausalitetsdilemman, såsom det berömda "farfarsparadigmet".
Det största hindret är att för att bygga en CTC i det verkliga universum skulle man behöva manipulera enorma mängder energi och att kröka rumtiden tills den sluter sig om sig själv. Detta krav gör idén, för närvarande, helt opraktisk: det finns ingen teknik, varken i Europa eller någon annanstans, som kan generera ett sådant kosmologiskt scenario i ett laboratorium.
Medvetna om denna begränsning flyttade Lloyd och hans kollegor sitt fokus från storslagna science fiction-artefakter till en mycket mer hanterbar terräng: den av kvantinformation och beteendet hos enskilda partiklarFrågan är inte längre hur man bygger en fysisk tidsmaskin, utan om det är möjligt att definiera, åtminstone i teorin, kommunikationskanaler som förbinder olika punkter på tidslinjen.
Kvantförvirringens roll i meddelanden till det förflutna
Det viktigaste fenomenet som spelar in är kvantsammanflätningNär två partiklar – till exempel två fotoner – blir sammanflätade kan deras tillstånd inte längre beskrivas separat: vad som händer med den ena är kopplat till vad som händer med den andra, även om de befinner sig på långt avstånd. Detta beteende, verifierat i ett flertal experiment, inklusive i europeiska laboratorier, beskrevs av Einstein som "spöklik handling på avstånd".
Standardtolkningen av kvantmekanik kräver inte att något ska färdas snabbare än ljuset eller bakåt i tiden, utan antar snarare ett gemensamt tillstånd mellan båda partiklarna. Emellertid Vissa fysiker har utforskat alternativa avläsningar där denna korrelation förstås som om en av partiklarna skickar tillfälliga "meddelanden" till den andra, vilket indikerar hur den bör reagera när den mäts senare.
Seth Lloyd har arbetat inom detta spekulativa men matematiskt sunda område i åratal. År 2010 använde hans grupp intrasslade fotoner för att simulera en sluten kvanttidskurvaI den demonstrationen interagerade en foton effektivt med en tidigare version av sig själv, som om den hade färdats tillbaka några nanosekunder i tiden. Lloyd själv beskrev det med en slående metafor: det var som att skicka en foton till det förflutna och försöka få den att "rada ut" sitt tidigare jag.
Dessa experiment involverar inte tidsresor i populär bemärkelse, men de visar att Kvantteorins struktur medger ekvivalenta konstruktioner till vissa typer av tidsslingor. På grundval av detta presenterar det nya MIT-arbetet ett ytterligare scenario: vad händer när den tidskanalen inte är perfekt, utan påverkas av brus och störningar, precis som vilket verkligt kommunikationssystem som helst?
Bullriga kvantkanaler som fortsätter att prata med gårdagen
I den senaste studien frågar Lloyd, Ji och deras team vad som skulle hända om kvantkanalen som förbinder dåtid och framtid inte fungerade idealiskt, utan snarare som en trasig telefonlinje, störd av brusFrågan är avgörande, eftersom i praktiken inget dataöverföringssystem – varken fiberoptiska kablar eller de kvantlänkar som utvecklas i Europa – är felfritt.
För att åtgärda problemet använder forskare verktyg från informationsteoriDet matematiska språket som används för att studera alla typer av kommunikationskanaler, från klassiska nätverk till de mest avancerade kvantsystemen. Baserat på denna formalisering modellerar de en tidskanal där signalen som färdas bakåt i tiden genomgår slumpmässiga störningar.
Vad de upptäcker är åtminstone kontraintuitivt: även när brus introduceras, Kommunikation med det förflutna kan fortfarande vara möjligDessutom skulle dessa bullriga tidskanaler i vissa områden kunna bära mer användbar information än en konventionell kanal med samma störningsnivå men som arbetar i vanlig riktning, från det förflutna till framtiden.
Resultatet betyder inte att vi kommer att upprätta ett meddelandenätverk från Spanien imorgon, men det öppnar upp en ny vinkel för att studera kapacitetsgränser för kvantkanalerParadoxen är att brus, generellt sett en uttalad fiende till kommunikation, här skulle kunna bli en allierad som effektiviserar datautbytet när den tidsmässiga dimensionen kommer in i bilden.
Ur ett tekniskt perspektiv visar arbetet att matematisk struktur av tidskanaler Det visar sig vara mer flexibelt än man tidigare trott. Genom att behandla tidsresor bakåt som ett problem med att koda och avkoda meddelanden identifierar forskare strategier som gör det möjligt för dem att extrahera tillförlitlig information även när kanalen beter sig på ett mycket suboptimalt sätt.
Framtidens minne, science fiction-film och retrokausalitet
En av de mest slående aspekterna av denna forskningslinje är dess koppling till den s.k. retrokausalitetMöjligheten att framtida händelser på något sätt kan påverka tidigare händelser. Enligt Lloyd och Jis formulering har avsändaren av ett tidsmässigt meddelande en resurs som saknar motstycke i vanlig kommunikation: sina egna minnen av hur meddelandet tolkades i en tidigare loop.
För att förklara denna idé använder MIT-teamet ett välkänt exempel för europeiska publiken: filmens sista segment interstellarFrån Christopher Nolans film. I den scenen lyckas huvudpersonen, spelad av Matthew McConaughey, skicka avgörande data till sin dotter i det förflutna genom att manipulera visarna på en klocka. Den konceptuella nyckeln, enligt forskarna, ligger inte i det visuella spektaklet, utan i kodningens logik.
I den modell de föreslår är emittenten belägen i framtiden Kom ihåg hur mottagaren dechiffrerade meddelandet i en tidigare cykel och kan utifrån det justera det optimala sättet att koda informationen så att den kommer fram korrekt. Kaiyuan Ji beskriver det enkelt: fadern vet i förväg vilken tolkning dottern kommer att göra och tack vare det minnet ”lär han sig själv” den sändningsstrategi som maximerar sannolikheten för framgång.
Denna informationsslinga skapar ett scenario som vid första anblicken verkar fullt av paradoxer, men som Den förblir konsekvent inom det matematiska ramverket. används. Det som låter som en motsägelse av vardaglig intuition, i termer av ekvationer, är helt enkelt ytterligare en lösning på optimeringsproblemen för bullriga kanaler med tillgång till tillfälligt minne.
Parallellt med detta arbete vid MIT har andra grupper studerat kvantfenomen där en aktuell handling verkar förändra tidigare registrerade tillståndAtt arbeta med enskilda partiklar och qubitar under noggrant kontrollerade laboratorieförhållanden. Även om de tekniska detaljerna varierar är den gemensamma tråden densamma: i den mikroskopiska världen upphör tiden att bete sig som en enkelriktad gata och blir förvånansvärt flexibel i att beskriva hur information sprids.
Mellan matematisk teori och nuvarande praktiska omöjlighet
Trots den suggestiva karaktären av dessa slutsatser vidhåller forskarsamhället en ståndpunkt försiktig och ganska skeptisk När det gäller de verkliga tillämpningarna av den här typen av modeller har fysiker som Andreas Winter, från universitetet i Köln, påpekat att det, så vitt man vet idag, inte finns någon mekanism inom det observerbara universum som tillåter oss att konstruera en sluten fysisk tidskurva eller skicka verifierbara signaler bakåt i tiden.
De flesta europeiska specialisters ståndpunkt är tydlig: det Lloyd och hans medarbetare har utvecklat är framför allt en konsekvent matematisk möjlighetinte en ritning för en tidsmaskin redo för montering. Ekvationerna visar att känd fysik inte kategoriskt förbjuder vissa typer av tidskanaler, men de erbjuder inte heller en realistisk väg att materialisera dem med tillgänglig teknik.
Trots detta har Lloyd själv insisterat på att det nya resultatet skulle kunna gå relativt snabbt till experiment liknande de som hans grupp genomförde 2010 med intrasslade fotoner. Istället för att återskapa en idealiserad CTC skulle målet vara att implementera brusiga kvantkanaler i optiska eller andra system och testa i vilken utsträckning teoretiska förutsägelser om deras överföringskapacitet uppfylls.
Den här typen av tester är av särskilt intresse i samband med utvecklingen av kvantnätverk och kvantdatorerDetta är ett område där Europa investerar avsevärt. Att förstå hur information beter sig i extrema scenarier – inklusive modeller där tid hanteras okonventionellt – kan ge användbara insikter för att utforma mer robusta felkorrigeringsprotokoll eller effektivare kommunikationsstrategier, inklusive hantering av kommunikation med Artemis II.
Bortsett från de specifika experimenten fokuserar mycket av debatten på hur man ska anpassa dessa förslag till andra grundläggande fysikens principer, såsom kausalitetens bevarande och termodynamikens andra lag. Nya teoretiska studier och laboratorietester utformas att verifiera att de uppenbara "påverkningarna från framtiden" inte leder till motsägelser när de analyseras med all den moderna kvantmekanikens noggrannhet.
Det som verkar tydligt är att dessa undersökningar tvingar oss att revidera vissa intuitiva antaganden om tid och information. Snarare än att lova resor till det förflutna i stil med terminatorVad de lägger på bordet är möjligheten att, på den djupaste nivån av den fysiska verkligheten, Framtiden och det förflutna är mer sammanflätade än vi vanligtvis föreställer oss..
I slutändan ligger bidraget från dessa verk från MIT och andra internationella grupper inte i att erbjuda en praktisk guide till att bygga tidsmaskiner, utan i bredda det teoretiska ramverket Detta hjälper oss att förstå hur data överförs och bearbetas i ett universum som styrs av allmän relativitetsteori och kvantmekanik. I denna till synes abstrakta värld kommer en betydande del av de tekniska framsteg vi kommer att se i konkret form – från förbättrade kvantkanaler till nya datorarkitekturer – att äga rum.