Mezoskopowy „czas lokalny” wywołuje kontrowersje wokół podróży w czasie

Dziwna matematyka, śmiała teza: praca łącząca przewodnictwo z podróżami w czasie

Dzisiaj grupa teoretyków opublikowała preprint, w którym argumentują, że reinterpretacja formalizmu przewodnictwa Landauera–Büttikera zapewnia nie tylko deterministyczny opis pomiaru kwantowego, ale także drogę do „podróży w czasie” w układach mezoskopowych. Zespół — zidentyfikowany w pracy jako Kanchan Meena, Souvik Ghosh i P. Singha Deo, powiązany z instytucjami takimi jak S.N. Bose Centre oraz uniwersytetem na Tajwanie — opiera swoją tezę na lokalnie zdefiniowanej częściowej gęstości stanów (LPDOS), fazie macierzy rozpraszania oraz mechanicznej konstrukcji czasu lokalnego wykorzystującej koncepcję zegara Larmora. Ich twierdzenie jest uderzające: mierzalne przewodnictwo i lokalne zegary w wystarczająco małych strukturach dopuszczają ujemne gęstości lokalne, które według autorów można interpretować jako formę deterministycznego przesunięcia czasu.

Praca poddaje ponownej analizie standardowe narzędzia fizyki mezoskopowej — podejście Landauera–Büttikera do przewodnictwa elektrycznego oraz opisy transportu oparte na macierzy rozpraszania — i skupia uwagę na wielkościach zdefiniowanych lokalnie wewnątrz próbki, a nie na globalnych obserwowablach. Centralnym punktem ich argumentacji jest pojęcie lokalnej częściowej gęstości stanów, którą traktują jako zmienną ukrytą, ustalającą wynik pomiarów w sposób deterministyczny. Ścieżka techniczna wiedzie przez trzy powiązane idee: (1) zależność przewodnictwa od faz amplitud rozpraszania (wygodnie wizualizowanych na diagramach Arganda), (2) sposób, w jaki lokalne gęstości i cechy rezonansu Fano odzwierciedlają interferencję i strukturę modów wewnątrz maleńkich urządzeń, oraz (3) sposób, w jaki fizycznie mierzony czas lokalny — uzyskany za pomocą zegara typu Larmora — może zostać wyrażony za pomocą tych samych wielkości fazy rozpraszania.

Gęstość stanów, czas lokalny i zegar Larmora

Na podstawie tego pomostu między fazą, gęstością a zegarem, autorzy donoszą o zaskakującej możliwości matematycznej: LPDOS dla poszczególnych kanałów częściowych może przyjmować wartości ujemne. W ich narracji ujemna LPDOS nie jest artefaktem do odrzucenia, lecz sygnałem fizycznym: w zegarze mechanicznym odpowiada ona czasowi lokalnemu, który ulega dylatacji lub przesunięciu w sposób, który przyrównują do relatywistycznego czasu własnego. Łącząc te idee, artykuł wskazuje logiczną ścieżkę od lokalnej, mierzalnej fazy i gęstości do deterministycznych wyników pomiarów oraz do formalnej możliwości „podróży w czasie” w obszarze mezoskopowym.

Jest to dalekie od paradoksów przyczynowych i konstrukcji ogólnorelatywistycznych zwykle kojarzonych z „podróżami w czasie”. To, co proponuje preprint, to formalne odwzorowanie: lokalne fazy i gęstości kwantowe mogą być ułożone w taki sposób, że modelowana zmienna zegarowa wykazuje kontrintuicyjne przesunięcia czasowe. To, czy takie przesunięcie implikuje przyczynowość wsteczną, naruszenie globalnej przyczynowości, czy jakąkolwiek zdolność do wysyłania informacji w przeszłość, nie zostało w pracy wykazane i nie jest oczywiste, czy zdefiniowany operacyjnie czas lokalny autorów podlega tym samym ograniczeniom, co relatywistyczny czas własny w powiązaniu z resztą fizyki.

Luki koncepcyjne i szerszy kontekst

Artykuł porusza dwa głębokie i odrębne problemy — problem pomiaru w mechanice kwantowej oraz pogodzenie teorii kwantowej z relatywistyką — i proponuje pojedynczą wielkość lokalną, LPDOS, jako pomost. Oba tematy są starsze niż samo podejście Landauera i przyciągnęły wiele konkurencyjnych perspektyw: teorię dekoherencji, modele spontanicznej redukcji, mechanikę bohmowską oraz interpretacje wieloświatowe, by wymienić tylko kilka. Lokalna zmienna ukryta, która odtwarzałaby wszystkie statystyki kwantowe, musi zmierzyć się z twierdzeniem Bella i zaobserwowanymi eksperymentalnie nielokalnymi korelacjami. Manuskrypt nie przedstawia pełnego opisu tego, jak jego lokalnie zdefiniowane stany częściowe miałyby odtwarzać naruszenia nierówności Bella lub jak wchodzą w interakcję ze splątaniem poza scenariuszami transportu w pojedynczym urządzeniu.

W kwestii czasu i przyczynowości współczesna fizyka traktuje operacyjnie zdefiniowane zegary z ostrożnością: czas własny w teorii względności jest powiązany z liniami świata w zakrzywionej czasoprzestrzeni, a zegary kwantowe w małych układach podlegają dekoherencji, sprzężeniu termicznemu i reakcji zwrotnej pomiaru. Wykazanie, że odczyt małego mechanicznego zegara może być ujemny w konkretnej konstrukcji formalnej, nie jest automatycznie równoznaczne ze zdolnością do zmiany globalnego porządku przyczynowego lub tworzenia podatnych na paradoksy zamkniętych krzywych czasopodobnych. Preprint tworzy formalne i intrygujące powiązanie, ale przejście od takiej idei do fizycznych podróży w czasie wymagałoby kilku dodatkowych, nietrywialnych kroków i zmierzenia się z dobrze znanymi ograniczeniami wynikającymi z zasad zachowania i termodynamiki.

Jak można przetestować tę tezę

Jednak eksperymentalne potwierdzenie lokalnych ujemnych gęstości to nie to samo, co potwierdzenie jakiejkolwiek formy makroskopowych podróży w czasie. Nawet jeśli laboratoria zaobserwują ujemne gęstości częściowe i powiązane z nimi anomalne sygnały zegarowe, społeczność zapyta: czy efekty te można wykorzystać do przesyłania informacji wstecz w czasie, czy też zawsze idą one w parze z procesami kompensacyjnymi, które zachowują ogólną przyczynowość? Zaprojektowanie eksperymentów badających aspekt przepływu informacji będzie niezbędne, jeśli twierdzenie to ma wyjść poza prowokacyjną matematykę.

Dlaczego ma to znaczenie — i jak czytać nadzwyczajne twierdzenia

Praca jest wartościowa niezależnie od jej ostatecznego rezultatu. Zmusza ona do zwrócenia uwagi na to, jak lokalne, czułe na fazę wielkości transportowe odnoszą się do operacyjnie zdefiniowanych zegarów i do zagadki pomiaru w mechanice kwantowej. To wzajemne przenikanie się idei może stymulować konkretne eksperymenty w fizyce mezoskopowej, a nawet skromne wyniki empiryczne — powtarzalna ujemna gęstość częściowa lub nieoczekiwana sygnatura zegara Larmora — stanowiłyby ważny wkład.

Jednocześnie nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów. Przeskok od lokalnych efektów fazowych i odczytów zegarów wewnątrz nanostruktury do stwierdzeń o podróżach w czasie i unifikacji z teorią względności wymaga starannej pracy koncepcyjnej, konfrontacji z ograniczeniami typu Bella oraz eksperymentów badających przyczynowość i transfer informacji, a nie tylko lokalne gęstości. Kolejne miesiące i lata prawdopodobnie przyniosą szczegółową analizę kroków matematycznych przez teoretyków oraz próby wyizolowania przewidywanych sygnałów w laboratorium przez eksperymentatorów. W ten sposób fizyka zamienia śmiałe idee w uznaną naukę lub odrzuca je jako niespójne modele — a oba te wyniki wzbogacają naszą wiedzę.

Źródła