Mikroskobik bir kuantum sistemdeki düzensizlik yani entropi uluslararası bir fizikçi ekibi tarafından ölçüldü. Bulguların “zamanın oku”na ışık tutması umuluyor. Evreni yöneten fizik yasaları geçmiş-gelecek ayrımı gözetmediği halde, gözlemlendiği kadarıyla zaman hep geleceğe doğru akıyor.
Yapılan deneyde salınım yapan bir manyetik alanla karbon atomlarının spinleri sürekli değiştirildi ve bu atomik spin durumları arasındaki kuantum çalkalanmalarında zaman okunun belirmesi incelendi. Brezilya’da bulunan ABC Federal Üniversitesi’nden ekip üyesi Roberto Serra “Geleceği değil de, geçmişi anımsamamızın nedeni bu,” diyor. En temel düzeyde, kuantum çalkalanmalarının zaman asimetrisinden sorumlu olduğunu söylüyor.
Düzensiz Durumların Çokluğu
Zaman oku günlük hayatta çok normal gelir. Örneğin yumurta kırılır; ama sarısının, beyazının ve kırık kabukların tekrar birleşerek bir yumurta oluşturduğu hiç görülmemiştir. Doğa yasalarının tersinir olmamasının gerektiği çok açıkmış gibi görünür. Ama yine de temelde yatan fiziğin buna ilişkin söylediği birşey yoktur. Yumurta kırılmasının dinamik denklemleri, hem geleceğe hem de geçmişe doğru işler.
Bununla birlikte entropi, zaman okuna açılan bir pencere sağlar. Yumurtaların çoğu birbirine benzer, fakat kırık yumurtalar türlü türlüdür: Düzgün bir şekilde çatlamış olabilir, parçalanmış olabilir, her yere saçılmış da olabilir, başka farklı biçimler almış da olabilir. Kırık yumurta düzensiz, yani yüksek entropili bir durumdur. Düzensiz durum sayısı, düzenli durum sayısından çok daha fazla olduğundan, bir sistemin düzensiz bir durum yönünde değişim gösterme olasılığı çok daha büyüktür.
Bu olasılıksal çıkarım, termodinamiğin ikinci yasasının kapsamındadır: Kapalı bir sistemin entropisi zaman içinde daima artar. İkinci yasaya göre, zaman birdenbire geriye doğru akmaz çünkü entropinin azalmasını gerektirir. Bu, çok sayıda içiçe geçmiş parçacıktan oluşan yumurta gibi karmaşık sistemler için ikna edici bir argümandır. Peki ya sadece tek bir parçacıktan oluşan bir sistem ele alırsak?
Loş Bölge
Serra ve meslektaşları bu loş bölgeye, sıvı kloroform içinde bulunan karbon-13 atomları topluluğundaki entropiyi ölçerek adım atmış. Ellerindeki örnekte kabaca bir trilyon kadar kloroform molekülü olmasına rağmen, moleküllerin etkileşime girmeyen kuantum doğalarından dolayı, deney aynı ölçümü tek bir karbon atomu için bir trilyon kez almaya eşdeğer oluyor.
Bilimciler örneğe salınım yapan bir dış manyetik alan uygulamış. Alan, karbon atomunun spinini sürekli olarak aşağı ve yukarı durumlar arasında değiştirmiş. Spin değişimlerinin sıklığını arttırmak için alan salınımlarının yoğunluğunu yükselten ekip, ardından yoğunluğu tekrar düşürmüş.
Eğer sistem tersinir olsaydı, karbon spin durumlarının tamamının dağılımının sürecin sonunda da başlangıçtaki ile aynı olması gerekirdi. Ancak nükleer manyetik rezonans ve kuantum durum tomografisi ile alınan ölçümlere göre, son spinler arasındaki düzensizlikte artış saptandı. Sistemin kuantum doğasından ötürü, bu tek bir karbon atomundaki entropinin artışına eşdeğer oluyor.
Araştırmacılara göre, entropinin tek bir atom için artmasının nedeni, spinini değiştirmeye zorlandığı hız. Alanın salınım yoğunluğunu yakalayamayan atom, rastgele çalkalanmaya başlıyor; tıpkı deneyimsiz bir dansçının adımlarını tempoya göre atmayı kaçırması gibi. “Yavaş ritimle dans etmek, hızlı olandan daha kolaydır,” diyor Serra.
Yanıt Bekleyen Sorular
Texas Üniversitesi’nden deneyci Mark Raizen, ekibin bir kuantum sistem içinde zamanın okunun varlığını gözlemlemeyi başardığını söylüyor. Kendisi de kuantum sistemlerin tersinmezliği üzerinde çalışıyor. Ancak Raizen zaman okunun başlangıç eşiğinin gözlemlenmediğini de vurguluyor. “Bu çalışma zamanın okuna ilişkin anlayışımıza ilişkin noktayı koymuş değil,” diye ekliyor.
Yanıt bekleyen sorulardan biri, zamanın okunun kuantum dolaşıklık ile bir ilgisinin olup olmadığı. Bu 30 yıldır gündemde olan ve popülerliği son zamanlarda giderek artan bir düşünce. Bununla beraber, aradaki bağlantının artan entropi ile daha az ilgiliyken, kuantum bilginin durdurulamaz dağılımı ile daha fazla ilgili olabileceği sanılıyor.
Serra, kuantum dolaşıklıktan yararlanılarak, mikroskobik bir sistemde zaman okunun tersine çevrilmesinin bile mümkün olabileceğini düşünüyor. “Bunun üzerinde çalışıyoruz,” diyor. “Kuantum termodinamik üzerine yapacağımız gelecek nesil deneylerimizde bu yönleri araştıracağız.”
Kaynak: Physics Word, “Physicists put the arrow of time under a quantum microscope”
< http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/nov/12/physicists-put-the-arrow-of-time-under-a-quantum-microscope >
Referans: Physical Review Letters, “Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System”
< http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.190601 >