Fińscy naukowcy stworzyli kwantowy materiał, o którym spekulowano od ponad dekady. Co w tym fascynującego? Tak zwane materiały topologiczne mogą zrewolucjonizować komputery przyszłości — a ten konkretny egzemplarz może działać w zwykłej temperaturze pokojowej.

Fizycy z Uniwersytetu w Heidelbergu właśnie rozwiązali zagadkę, nad którą specjaliści od fizyki kwantowej głowili się od dziesięcioleci. Wykazali, że dwa pozornie sprzeczne teorie dotyczące cząstek subatomowych tak naprawdę opisują tę samą rzeczywistość. Ich praca koncentruje się na z pozoru sprzecznym zjawisku: cząstce tak ciężkiej, że powinna niemal nie drgać, a mimo to wciąż wywołuje zmarszczki w strukturze przestrzeni kwantowej, które naukowcy próbują wyjaśnić od ponad 50 lat.

Od ponad 400 lat żeglarze obserwują na otwartym oceanie coś naprawdę niezwykłego — ogromną plamę wody, która świeci białawą, niemal mistyczną poświatą. Wygląda to tak, jakby ktoś zapalił gigantyczną nocną lampkę wprost pod powierzchnią fal. Mimo że zjawisko jest udokumentowane od stuleci, a dziś mamy do dyspozycji nowoczesne satelity, naukowcy wciąż nie potrafią w pełni wyjaśnić, skąd się bierze. I szczerze mówiąc — właśnie ta zagadka sprawia, że oceany fascynują mnie bezgranicznie.

Fizyk stworzył w laboratorium miniaturowy wszechświat, w którym czas nie tyka na podstawie żadnego zewnętrznego zegara, tylko wyłania się naturalnie z samego układu. A sekretnym składnikiem może być chaos, a konkretniej — entropia. Czy kiedykolwiek patrzyłeś na gwiazdy i zastanawiałeś się: czym właściwie jest czas? Nie mam na myśli, jaki jest dzień ani ile jeszcze zostało do urlopu. Chodzi mi o prawdziwą, fundamentalną naturę czasu. A co, jeśli powiedziałbym ci, że niektórzy najzdolniejsi ludzie na planecie uważają, że czas w ogóle nie jest wbudowaną cechą wszechświata? Dokładnie nad tym pracuje fizyk z Uniwersytetu w Birmingham i jego najnowszy eksperyment jest absolutnie fascynujący. Stworzył basically mały, zamknięty wszechświat w swoim labie i zadał pytanie: czy możemy śledzić czas tutaj, nie patrząc nigdy na zegar? Spoiler: wygląda na to, że tak, ale nie z powodów, które mogłyby ci przyjść do głowy.

Problem zegarlessego wszechświata

Jest coś, co co chwila wywraca mi mózg do góry nogami: większość podstawowych praw fizyki tak naprawdę nie obchodzi kierunek czasu. Puść je do przodu, puść do tyłu — równania działają tak samo. Ale w prawdziwym życiu wyraźnie doświadczamy czasu płynącego w jednym kierunku. Starzejemy się. Jajka się rozbijają, ale nie składają z powrotem. Gorąca kawa stygnie, ale nigdy sama się nie podgrzewa. Ta rozbieżność między fizyką, którą opisujemy rzeczywistość, a naszym faktycznym doświadczeniem nazywa się „problemem strzałki czasu" i dręczy fizyków od ponad wieku.

A teraz robi się naprawdę dziwnie. Niektóre z najambitniejszych teorii fizycznych — w tym próby połączenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności (tzw. „grawitacja kwantowa") — sugerują, że sam wszechświat może nie mieć wbudowanego zegara. Słynne równanie Wheelera-DeWitta opisuje essentially cały kosmos jako jeden zamrożony stan kwantowy, bez żadnego zewnętrznego stróża czasu. Więc jeśli w tle nie tyka żaden kosmiczny zegar, skąd bierze się nasz znajomy płynący czas?

Budowanie wszechświata w pudle

Właśnie to postanowił zbadać profesor Giovanni Barontini w eksperymencie, który jest równie błyskotliwy, co surrealistyczny. Stworzył to, co nazywa „mini wszechświatem", używając 24 tysięcy ultrazimnych atomów — atomów schłodzonych do temperatur tak bliskich zera bezwzględnego, że zaczynają zachowywać się w sposób niemożliwy w naszym codziennym świecie. Te atomy zostały zamknięte w izolowanym pojemniku i podzielone na dwa obszary barierą stworzoną za pomocą wiązek laserowych. Jeden obszar nazwał „jasnym" (gdzie odbywają się pomiary), a drugi „ciemnym" (który pozostaje nieobserwowany). Cały układ był całkowicie odcięty od świata zewnętrznego — żadnych zewnętrznych zegarów, żadnych zakłóceń, tylko ta mała kieszeń kwantowej dziwności unosząca się w laboratorium.

I wtedy stało się coś pięknego.

Obserwowanie mini Wielkiego Wybuchu (i Zapadnięcia)

Wewnątrz tego miniaturowego wszechświata jasny obszar zaczął robić coś niezwykłego: wielokrotnie się rozszerzał i kurczył, jak maleńka, zapętlona wersja Wielkiego Wybuchu, po którym następuje hipotetyczna Wielka Rozpadlina — scenariusz, w którym ekspansja wszechświata w końcu się odwraca i wszystko zapada z powrotem do siebie. Ponieważ układ był całkowicie izolowany, profesor Barontini i jego zespół mogli śledzić co się dzieje tylko za pomocą informacji z samego układu. Nie mogli zerknąć na żaden zewnętrzny zegar laboratoryjny. Musieli odtworzyć sekwencję zdarzeń czysto na podstawie wewnętrznych wydarzeń mini wszechświata.

I tutaj robi się powalające: zadziałało. Udało im się uporządkować zdarzenia w czasie bez żadnego zewnętrznego odniesienia.

Prawdziwa tajemnica: wszystko przez entropię

Więc co sprawiało, że czas w tym małym kosmosie płynął? Odpowiedź, według badań, to entropia — essentially miara nieporządku lub rozproszenia w układzie. Gdy atomy przemieszczały się między jasnym a ciemnym obszarem, entropia (nieporządek, rozproszenie) cały czas się zmieniała. Gdy dystrybucja cząstek w jasnym obszarze rosła lub malała, układ efektywnie przesuwał się do przodu w czasie. A tu jest clou: gdy dystrybucja cząstek przestawała się zmieniać, sam czas effectively się zatrzymywał.

Profesor Barontini nazywa to „czasem entropowym" i to nie jest tylko filozoficzna koncepcja — eksperyment pokazał, że ta forma czasu:

• Płynie w jednym spójnym kierunku (tworząc tę znajomą strzałkę czasu)
• Poprawnie porządkuje zdarzenia nawet gdy wszechświat przechodzi przez cykle ekspansji i kurczenia
• Może przyspieszać lub zwalniać w zależności od tego, jak redistribute się entropia

Pomyśl o tym tak: zamiast czasu jako sceny, na której dzieją się zdarzenia, entropia staje się czasem. Zmiany w nieporządku TO tykający zegar.

Dlaczego to ma znaczenie (Ogromne)

Oto dlaczego naprawdę mnie to ekscytuje. Wiedzieliśmy od dawna, że czas zachowuje się inaczej w mechanice kwantowej niż w naszym codziennym doświadczeniu, ale testowanie tych idei było praktycznie niemożliwe, bo nie możemy przecież prowadzić eksperymentów na całym wszechświecie. Ten mini wszechświat to zmienia. Po raz pierwszy naukowcy mają kontrolowane ustawienie laboratoryjne, w którym mogą testować idee o naturze czasu, które wcześniej były ugrzęźnięte w teoretycznych spekulacjach.

Zespół pokazał też, że słynne równanie Schrödingera — podstawowe równanie mechaniki kwantowej — może być sformułowane na nowo używając tej koncepcji czasu entropowego. To oznacza, że naukowcy wciąż mogą przewidywać, jak ewoluują układy kwantowe, nawet gdy czas jest definiowany czysto przez wewnętrzne zmiany, a nie zewnętrzny zegar.

Szerszy obraz

Będę szczery: część mnie uważa, że cała ta koncepcja jest jednocześnie podniecająca i lekko przerażająca. Jeśli czas wyłania się z czegoś tak pozornie zwyczajnego jak rozproszenie cząstek w układzie, co to oznacza dla naszego rozumienia rzeczywistości? Czy momenty w czasie są realne, czy może są tylko użytecznymi złudzeniami tworzonymi przez zmieniającą się entropię?

Sam profesor Barontini powiedział to pięknie: „W codziennym życiu czas płynie od przeszłości do przyszłości — dlaczego tak jest, skoro większość podstawowych praw fizyki działa tak samo do przodu i do tyłu?"

Wciąż nie mamy pełnej odpowiedzi na to pytanie. Ale eksperymenty takie jak ten powoli, ostrożnie oświetlają krawędzie naszej niewiedzy.

Co dalej?

Zespół teraz chce rozszerzyć to podejście na bardziej złożone układy kwantowe. Z czasem może to otworzyć drzwi do eksperymentów laboratoryjnych badających fizykę prawdziwego Wielkiego Wybuchu, symulowanych czarnych dziur i konkurujących teorii o tym, jak czas działa w całym kosmosie. To niesamowicie ambitne rzeczy. Ale to właśnie sprawia, że fizyka jest tak wspaniała — chęć zadawania pytań, które wydają się niemal zbyt fundamentalne, by je zadawać, a potem faktyczne projektowanie eksperymentów, by je zbadać.

Na razie zamierzam posiedzieć i pomyśleć o fakcie, że w małym pudełku w Birmingham w Anglii 24 tysiące atomów zajmuje się tworzeniem własnego poczucia czasu, jedną zmianą entropii na raz. I jakoś to sprawia, że czuję się trochę bardziej połączony z całą tą tajemnicą.

Co o tym myślisz? Czy czas wydaje ci się bardziej realny, wiedząc, że może wyłaniać się z chaosu, czy może sprawia to, że wydaje ci się jeszcze bardziej złudny? Chętnie usłyszę twoje przemyślenia.

Astronomowie znaleźli nowe sposoby na wykrywanie jednego z najodważniejszych pomysłów science fiction – ogromnych konstrukcji budowanych przez obce cywilizacje, które chcą wykorzystać energię gwiazd. Nowe badania pokazują, jak tak zwane „sfery Dysona" mogłyby wyglądać przez nasze teleskopy. I wskazują, dlaczego jeden konkretny typ gwiazdy jest teraz najbardziej obiecującym celem poszukiwań.

Naukowcy odkryli coś, co burzy nasze dotychczasowe wyobrażenia o bakteriach. Okazuje się, że to nie są tylko maleńkie maszyny biologiczne. Potrafią się uczyć z doświadczenia, pamiętać wydarzenia z przeszłości, a nawet przekazywać te wspomnienia swojemu potomstwu. Dla nas, ludzi, to cios w ego. W końcu ile razy chwaliśmy się, że to my jedyni potrafimy przywoływać wspomnienia?

Astronomowie odkryli kwazary z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie 670 milionów lat. I tu pojawia się problem — te kosmiczne olbrzymy nie powinny w ogóle istnieć tak wcześnie. Ich znalezienie zmusza naukowców do przemyślenia wszystkiego, co wiedzieli o tym, jak rosną czarne dziury.

Inżynierowie z Harvardu znaleźli sposób na to, żeby zamienić ten sam rodzaj technologii krzemowych układów scalonych, który znajdziesz w swoim laptopie, w maszynę do pisania DNA. To przełom, który może zmienić dosłownie wszystko — od diagnostyki medycznej po sposób, w jaki przechowujemy dane na wieczność.

Naukowcy właśnie dokonali czegoś absolutnie niesamowitego – udało im się nagrać pierwsze w historii obrazy żywych rekinów goblinów w ich naturalnym środowisku na głębinach oceanu. Szczerze mówiąc, stworzenie wygląda jak wyrwane prosto z filmu sci-fi. To odkrycie nie tylko poszerza naszą wiedzę o tych „żywych skamieniałościach" – może całkowicie zmienić sposób, w jaki je chronimy.

Wyobraź sobie planetę, gdzie z jednej strony panuje palący żar, a z drugiej mróz tak srogi, że Antarktyda przy tym wygląda jak wakacyjny urlop na plaży. Brzmi jak scenariusz filmu sci-fi, co? A tu niespodzianka — naukowcy uważają, że to ekstremalne środowisko wcale nie wyklucza życia. Wyjaśnię jak to możliwe.

A co gdyby tak mieć pełną kontrolę nad ciepłem — móc je kierować dokładnie tam, gdzie chcemy, i sprawić, by zostało w wybranym miejscu nawet po wyłączeniu zasilania? Naukowcy z Uniwersytetu Metropolitalnego w Osace właśnie to osiągnęli. Stworzyli materiał, który potrafi programować ruch promieniowania cieplnego na żądanie.

Naukowcy natrafili na coś naprawdę zagadkowego na niewielkiej szwedzkiej wyspie – szczątki wilków, które nie powinny się tam znajdować. Ale najciekawsze dopiero nadchodzi: te wilki nie były dzikie. Dowody wskazują, że starożytni ludzie trzymali je przy sobie, karmili rybami i fokami, a może nawet prowadzili z nimi coś w rodzaju zarządzania, jakiego nigdy wcześniej sobie nie wyobrażaliśmy. To odkrycie sprawia, że badacze zaczynają podważać jedną z najstarszych opowieści ludzkości: tę o tym, jak to właściwie zaprzyjaźniliśmy się z wilkami.

Astronomowie dokonali czegoś niesamowitego — zobaczyli na własne oczy, jak rodzi się magnetar. Ta kosmiczna historia detektywna nie tylko rozwiązała zagadkę, która trapiła naukowców od dwudziestu lat. Dostałismy też prawdziwe dowody na to, że przewidywania teorii względności sprawdzają się w sposób, jakiego nikt się nie spodziewał.

Wyobraź sobie, że mieszkasz w neolitycznym mieście, gdzie twoi przodkowie zbudowali nie tylko mury i bramy, by się chronić, ale cały ukryty system autostrad pod twoimi stopami. Dokładnie to właśnie odkryli archeologowie w północnych Chinach i to sprawia, że wszyscy w tej dziedzinie muszą przemyśleć na nowo, na co byli zdolni starożytni ludzie.

Naukowcy zaobserwowali splątanie kwantowe w krysztale, który bez trudu zmieści się w dłoni. To odkrycie podważa wszystko, co sądziliśmy o tym, gdzie może występować kwantowa osobliwość. Badanie może też wreszcie wyjaśnić, dlaczego tajemnicze „dziwne metale" zachowują się tak niezwykle — a wszystko sprowadza się do mrówek.

Naukowcy zidentyfikowali białko, które，获得了 nickname "Mitch" i działa niczym główny regulator odpowiedzialny za to, czy nasze ciała magazynują tłuszcz, czy go spalają. Kiedy badacze zneutralizowali to białko, komórki ludzkie zaczęły spalać tłuszcz w tempie znacznie wyższym niż normalnie — jednocześnie blokując powstawanie nowych komórek tłuszczowych. Potencjał tych odkryć dla przyszłych metod leczenia otyłości jest ogromny.