Lihatlah ke masa depan untuk memahami masa lalu
Sebuah alternatif untuk pandangan Newton tentang dunia berjanji untuk menjelaskan keanehan fisika kuantum
Menilai dari teori fisik terbaik, Anda salah memahami waktu. Dalam relativitas umum Einstein tidak ada perbedaan antara masa lalu dan masa depan, belum lagi konsep "sekarang." Juga, tidak ada arah di mana waktu "mengalir"; alih-alih, ruang dan waktu hanya ada dalam struktur empat dimensi. Selain itu, semua hukum dasar fisika bekerja dengan cara yang sama maju dan mundur.Fakta-fakta ini tidak mudah diterima karena bertentangan dengan persepsi subjektif kita tentang waktu. Tetapi jangan berkecil hati: mereka tidak mudah diambil oleh fisikawan, dan ketegangan ini bertentangan dengan fisika tidak hanya dengan akal sehat, tetapi juga dengan dirinya sendiri. Dan meskipun fisikawan berbicara banyak tentang simetri waktu, mereka membiarkan diri mereka mencari penyebab fenomena yang terjadi di dunia, hanya di masa lalu, dan bukan di masa depan.
Sama seperti pengikatan ujung-ujung senar gitar menentukan getarannya, masa lalu yang jauh dan masa depan yang jauh dari Semesta dapat mempengaruhi peristiwa hari ini.Merumuskan penjelasan, kebanyakan dari kita berpikir dalam hal Isaac Newton, didirikan lebih dari 300 tahun yang lalu. "Mekanika Newton" ini mengambil masa lalu sebagai dasar dan menggunakannya untuk menyelesaikan masa depan, menjelaskan langkah demi langkah Alam Semesta kita. Beberapa peneliti bahkan menganggap alam semesta sebagai hasil dari program komputer. Gambaran seperti itu merupakan konsekuensi alami dari skema ini. Bahkan setelah konsep waktu kita telah berubah selama abad terakhir, mekanika Newton entah bagaimana tetap berada dalam sistem kepercayaan fisik yang paling populer.Tetapi dengan menerapkan sistem pemikiran Newton kuno tentang efek skala kuantum baru, kami menemukan diri kami dalam situasi yang tidak dapat dijelaskan. Jika fenomena ini tidak bisa dijelaskan, maka mungkin kita hanya salah menggambarkannya. Penjelasan yang lebih baik tersedia jika kita siap untuk memperhitungkan masa depan. Tetapi mekanika Newton awalnya tidak mampu untuk penjelasan abadi seperti itu. Program komputer bekerja dalam satu arah, dan upaya untuk menggabungkan dua program yang bekerja dalam arah yang berlawanan menyebabkan timbulnya paradoks karakteristik film perjalanan waktu yang dikandung dengan buruk. Untuk melihat masa depan dengan keseriusan yang sama dengan masa lalu, kita jelas membutuhkan alternatif untuk mekanika Newton.Dan kita memilikinya. Sebagian besar fisikawan menyadari keberadaan kerangka acuan yang berbeda, suatu alternatif di mana ruang dan waktu dianalisis secara tidak memihak. Ini yang disebut Mekanika Lagrangian juga merupakan akar kuno dan telah menjadi alat yang diperlukan dalam semua bidang fisika dasar. Tetapi bahkan fisikawan yang menggunakan pendekatan ini menolak langkah nyata yang terakhir: menghadirkan mekanika Lagrangian bukan sebagai trik matematika, tetapi sebagai cara menjelaskan dunia. Mungkin kita tidak menganggap serius teori kita sendiri.Mekanika Lagrange tidak hanya memungkinkan kita untuk memberikan penjelasan berdasarkan masa depan. Dia menuntut mereka. Berkenaan dengan masa lalu dan masa depan secara setara, mekanik ini menghindari paradoks dan memungkinkan metode penjelasan baru. Dan mungkin itulah sudut pandang yang dibutuhkan untuk terobosan berikutnya.Langkah pertama dalam memahami mekanika Lagrangian adalah melepaskan diri sepenuhnya dari aliran waktu dari Newton. Ini lebih mudah dilakukan dengan mempertimbangkan wilayah ruang-waktu secara holistik: mempertimbangkan keseluruhan panjangnya sekaligus, dan bukan sebagai frame film yang berurutan. Kita dapat menggambarkan ruang-waktu dalam bentuk struktur empat-dimensi tetap tidak hanya dengan spasial, tetapi juga dengan kerangka waktu - batas awal dan akhir wilayah.Semua fisika klasik, mulai dari listrik hingga lubang hitam, dapat diekspresikan melalui prinsip Lagrangian yang sederhana untuk meminimalkan tindakan. Untuk menggunakannya pada segmen ruang-waktu, pertama-tama Anda menggambarkan batasan parameter fisik sepanjang keseluruhannya. Kemudian, untuk setiap rangkaian peristiwa yang mungkin terjadi dalam kerangka kerja ini, Anda menghitung besarnya "tindakan". Serangkaian peristiwa dengan jumlah tindakan terkecil adalah yang akan terjadi, dengan mempertimbangkan keterbatasan awal dan beberapa poin teknis.Misalnya, untuk sinar cahaya yang bergerak dari titik A ke titik B, tindakan sesuai dengan durasi waktu perjalanan. Jalan akan menjadi yang tercepat, mengingat rintangan. Jika Anda berdebat seperti ini, maka berkas cahaya tertekuk di permukaan kaca untuk meminimalkan waktu perjalanan. Mekanika Lagrangian dalam fisika kuantum bekerja sedikit berbeda dan mengarah pada munculnya probabilitas daripada jawaban yang tepat, tetapi esensinya sama: pembatasan ruang-waktu diberlakukan secara bersamaan.Menurut logika Newton, ini aneh. Sinar cahaya pada titik A, entah bagaimana, meramalkan masa depan (tentang titik B dan rintangan di masa depan), memiliki kemampuan komputasi yang luas (untuk menghitung beberapa jalur) dan pengetahuan (untuk memilih yang terkecil). Tetapi keanehan hanyalah bukti bahwa pemikiran Newton dan Lagrangian tidak bercampur - dan bahwa kita mungkin tidak perlu menganggap ciri-ciri manusia sebagai cahaya.Alih-alih menjelaskan peristiwa hanya berdasarkan masa lalu, mekanik Lagrangian dimulai dengan batasan batas umum - termasuk yang terakhir. Jika Anda tidak memaksakan batasan akhir - untuk titik terang titik ini adalah B - pendekatan ini tidak akan memberikan jawaban yang benar. Tetapi ketika digunakan dengan benar, keberhasilan matematika membuktikan prioritas logis dari pembatasan batas - batas dari setiap wilayah ruang-waktu menjelaskan isinya.Pendekatan Langrange memberikan deskripsi fisika yang paling elegan dan fleksibel, dan fisikawan sering lebih menyukainya. Tetapi, terlepas dari penerapan prinsip-prinsip ini, bahkan fisikawan yang menggunakannya tidak menerimanya secara harfiah. Sulit untuk menerima bahwa peristiwa dapat dijelaskan berdasarkan apa yang terjadi di masa depan. Bagaimanapun, ada perbedaan yang jelas antara masa lalu dan masa depan. Dan jika panah waktu begitu jelas bagi kita, bagaimana pembatasan di masa depan dapat memengaruhi apa yang terjadi setara dengan masa lalu?Tetapi ada cara untuk merekonsiliasi mekanika Lagrangian dengan pengalaman kita sehari-hari. Kita hanya perlu berpikir secara luas tanpa mengabaikan detailnya.
Fisika adalah waktu yang dapat dibalik. Jika lampu sorot menerangi sebuah patung, bisa juga dikatakan bahwa sebuah patung menerangi lampu sorot. Biasanya kami tidak melakukan ini karena itu melanggar harapan kami mengenai arti kata "penjelasan".Katakanlah Anda mengambil gambar sebuah patung dengan cepat. Setiap sinar cahaya mematuhi prinsip aksi terkecil, menghasilkan jalur simetris sempurna dalam waktu. Tapi bersama-sama mereka menunjukkan asimetri yang jelas: pembatasan awal A dikumpulkan bersama dalam sekejap, dan batasan akhir didistribusikan di atas patung. Selain itu, jelas bahwa penyebaran cahaya dari A berfungsi sebagai penjelasan yang lebih baik untuk pencahayaan B daripada sebaliknya. Bahkan jika kita melihat jalur sinar cahaya di arah yang berlawanan, tidak ada yang bisa membantah bahwa cahaya terkonsentrasi di lampu kilat karena pola cahaya kompleks pada patung.Dari sini dapat disimpulkan bahwa penjelasan yang memuaskan dilakukan dengan peristiwa kompleks dengan metode sederhana. Mereka mengambil satu fakta dengan beberapa parameter yang relevan untuk menjelaskan banyak fenomena. Ini harus jelas terlepas dari mekanisme yang digunakan.Tetapi asimetri A dan B ini tidak menyangkal sudut pandang Lagrangian, yang hanya mendalilkan bahwa A dan B bersama-sama menjelaskan dengan baik apa yang terjadi di antara mereka. Bahkan dalam mekanika Lagrangian, A dan B saling bergantung satu sama lain. Untuk melacak koneksi mereka, mari kita lihat lebih luas. Menurut prinsip keterbatasan mekanika Lagrangian, penjelasan tidak dijejerkan dalam sebuah rantai, tetapi saling melekat satu sama lain. Dengan kata lain, kami tidak mengatakan bahwa acara A mengarah ke acara B, yang mengarah ke acara B. Kami bekerja dengan wilayah kecil ruang-waktu secara keseluruhan; maka kami menganggapnya sebagai bagian dari wilayah yang lebih besar (dalam ruang dan waktu). Menerapkan logika Lagrangian yang sama, kita mendapatkan bahwa batas yang lebih besar harus menjelaskan semuanya di dalamnya, termasuk batas asli.Dengan menjalankan prosedur untuk patung ini, kami menemukan asimetri bohlam dan patung yang sama dalam skala yang diperbesar. Artinya, kami puas dengan deskripsi flash kamera di masa lalu, tetapi kami tidak menjelaskan pencahayaan patung, melihat ke masa depan. Lalu kita lampirkan sistem ini dalam sistem yang lebih besar, dan seterusnya, sampai kita mencapai batas kosmologis - batas luar Alam Semesta. Sejauh yang kita tahu, asimetri yang sama diamati pada skala seperti itu - distribusi materi yang sangat halus selama Big Bang dan distribusi yang lebih acak di masa depan.Jika kita menganggap wilayah biasa ruang-waktu dari sudut pandang Lagrangian, fakta bahwa batas awal (sinar cahaya yang berasal dari lampu kilat) lebih sederhana daripada batas akhir (patung yang diterangi) membuktikan bahwa batas kosmologis terdekat kita adalah di masa lalu. Urutan ini menyiratkan bahwa dalam masa depan yang sebanding tidak ada batas kosmologis yang sesuai. Dan jika Anda menganggap Big Bang sebagai penjelasan terbaik tentang sifat-sifat Semesta yang jelas, arah aliran waktu yang jelas tidak berbeda dengan gradien suhu spasial yang Anda rasakan ketika berdiri di dekat jendela yang dingin. Dalam kasus-kasus ini tidak ada ruang atau waktu yang asimetris; itu hanya masalah lokasi Anda relatif terhadap perbatasan terdekat.Pada skala klasik yang biasanya kita temui, kita tidak akan menerima informasi baru dari perbatasan di masa depan dibandingkan dengan perbatasan di masa lalu. Jika ini terjadi pada semua skala, mekanik Lagrangian akan mengalami masalah, karena perbatasan di masa depan tidak akan mempengaruhi apa pun. Tetapi ini tidak akan terjadi jika kita turun ke tingkat ketidakpastian kuantum: detail masa depan mikroskopis tidak dapat diturunkan dari masa lalu. Pada skala kuantum semua kemungkinan mekanika Lagrangian menjadi jelas.
Cerita terjerat: dalam percobaan standar keterikatan kuantum, pasangan partikel terbang keluar dari sumber dan diukur dengan detektor. Dua komputer, Alice dan Bob, menghasilkan angka acak untuk mengontrol detektor. Peristiwa detektor mengontrol apa yang terjadi pada sumbernya, meskipun mereka berada di masa depan.Keterikatan kuantum adalah konsep yang menolak mekanika Newton. Detail tidak penting bagi kami, oleh karena itu, kami akan mempertimbangkan esensi umum dari eksperimen khas tentang keterjeratan. Peralatan di tengah menciptakan dua partikel. Yang kiri dikirim ke detektor yang dikendalikan oleh komputer Alice, dan yang kanan dikirim ke detektor jarak jauh yang dikendalikan oleh komputer Bob. Detektor mengukur partikelnya dengan salah satu dari beberapa cara yang ditentukan oleh angka acak. Seperti yang ditunjukkan oleh fisikawan Irlandia John Bell dalam percobaan terkenal di tahun 60-an, hasil pengukuran berkorelasi dengan cara yang menentang penjelasan yang biasa.Secara khusus, masa lalu total partikel menjadi tidak cukup untuk menjelaskan korelasi yang diukur, setidaknya tidak untuk spektrum pengukuran penuh yang dapat dipilih secara acak oleh Alice dan Bob. Tentu saja, banyak ilmuwan ingin menjelaskan ini dari sudut pandang fisik dan mereka tidak suka mencoba melakukan ini melalui matematika murni. Tertinggal dalam kesalahpahaman, mereka mulai menyebabkan entitas misterius yang tidak benar-benar ada dalam ruang atau waktu (dan mereka sendiri membutuhkan penjelasan) atau bahkan melakukan perjalanan lebih cepat daripada cahaya (melanggar semua yang kita ketahui tentang teori relativitas Einstein).Jika kita meninggalkan upaya putus asa ini, maka semua orang akan setuju bahwa penjelasan alami dapat ditemukan hanya jika partikel dapat memprediksi pengaturan acak Alice dan Bob terlebih dahulu. Tetapi sebagian besar proposal untuk mentransmisikan informasi ini ke partikel terlihat bahkan lebih putus asa, bahkan sampai pada titik kecurangan: partikel tampaknya entah bagaimana mengendus semua data input dari generator nomor acak dan menggunakan informasi ini untuk memprediksi pengaturan detektor di masa depan.Hampir tidak ada yang menganggap ini penjelasan yang layak untuk percobaan keterjeratan, karena Anda tidak akan menerima penjelasan tentang lokalisasi cahaya pada lampu kilat, tercermin dari bentuk kompleks patung. Upaya semacam itu melanggar standar penjelasan kami yang masuk akal: mekanisme operasi yang diusulkan jauh lebih rumit daripada hasil sederhana yang ia coba jelaskan.Dalam contoh patung, solusi yang jelas adalah mencari batas yang lebih sederhana - flash - untuk penjelasan terbaik. Untuk keterikatan kuantum, dipertimbangkan dari sudut pandang mekanika Lagrangian, penjelasan yang masuk akal akan hampir sama jelasnya. Itu tidak mempengaruhi pekerjaan awal yang rumit dengan pengaturan detektor, melainkan terdiri dalam pengaturan detektor di masa depan.Partikel terjerat misterius ada di wilayah berkabut ruang-waktu di masa depan, dan batas-batas wilayah ini termasuk persiapan dan deteksi mereka oleh detektor. Pengaturan yang dipilih oleh Alice dan Bob diimplementasikan secara fisik di detektor pada batas akhir - tepat di mana mekanika Lagrangian memberitahu kita untuk mencari penjelasan. Kita hanya perlu membiarkan partikel untuk membatasi diri pada batas ini di masa depan, dan segera penjelasan sederhana tentang eksperimen keterjeratan muncul. Dalam hal ini, masa depan, bersama dengan masa lalu, dapat menjelaskan pengamatan dengan baik.Keterikatan kuantum mungkin bukan satu-satunya misteri yang dapat dipecahkan dengan serius mempertimbangkan masa depan sebagai penjelasan. Dalam fenomena kuantum lain, penjelasan yang lebih sederhana juga dapat ditemukan yang bekerja dalam ruang dan waktu yang sederhana tanpa ada aksi dari kejauhan. Ada kemungkinan bahwa probabilitas dalam teori kuantum akan berubah menjadi sama dengan probabilitas dalam bidang ilmiah lainnya: ada karena parameter yang tidak diketahui (karena beberapa di antaranya akan ada di masa depan).Studi semacam itu akan menimbulkan pertanyaan penting. Jika masa depan dapat memaksakan pembatasan pada masa lalu, mengapa konsekuensinya terbatas pada tingkat kuantum? Mengapa kita tidak bisa menggunakan fenomena kuantum untuk mengirim pesan ke masa lalu? Pada skala apa pembatasan kosmik mendominasi, dan bagaimana pendekatan Lagrangian digeneralisasikan sehingga semuanya bekerja?Menemukan jawaban untuk mereka tidak hanya dapat membantu fisika, tetapi juga lebih memahami bagaimana kita masuk ke alam semesta empat dimensi kita. Misalnya, menurut mekanika Lagrangian, detail mikroskopis dari wilayah mana pun tidak sepenuhnya dibatasi oleh batas-batas masa lalu. Pada tingkat atom otak, ada batasan penting tetapi tidak diketahui di masa depan. Mungkin alasan ini bahkan akan membantu untuk memahami kehendak bebas, membenarkan bagaimana masa depan tidak sepenuhnya ditentukan oleh masa lalu. Ini akan mengharuskan kita untuk memikirkan kembali ide bahwa ada perbedaan yang sederhana dan jelas antara masa lalu yang tetap dan masa depan yang terbuka.Hampir setiap kali sebuah sains menemukan penjelasan yang lebih dalam, lebih sederhana, dan lebih memuaskan, ini menyebabkan kaskade penemuan ilmiah lainnya. Oleh karena itu, jika ada tingkat fenomena kuantum yang lebih dalam yang belum kita kuasai, pengembangannya akan mengarah pada terobosan kritis dalam sejumlah besar teknologi yang menggunakan efek kuantum. Naluri yang salah menghambat kemajuan ilmiah di masa lalu, dan naluri kita yang berkaitan dengan waktu mungkin salah satu yang terkuat. Tetapi ada cara yang jelas untuk menjelaskan rahasia alam yang paling dalam, kalau saja kita bisa memaksa diri kita untuk melihat ke masa depan.Source: https://habr.com/ru/post/id396651/
All Articles