Klassisen fysiikan maailmankuvassa aika ja avaruus olivat erillisiä käsitteitä. Nyt kaksi tutkijaa epäilee, että tuo 1800-luvun oletus saattaa sittenkin olla oikea. Vielä vertaisarvioimaton tutkimus on ladattu Arxiv-julkaisupalveluun.
Kiinnostava havainto syntyi, kun he tarkastelivat yksittäisen kubitin eli kvanttibitin käyttäytymistä ajassa. Tuloksena oli matemaattinen viittaus siihen, että kolmiulotteinen avaruus saattaa syntyä pelkästään ajallisista muutoksista.
Vlatko Vedral Oxfordin yliopistosta ja James Fullwood Kiinan Hainanin yliopistosta lähtivät liikkeelle mallista, jossa yksittäiseen kubittiin kohdistetaan mittauksia eri ajanhetkinä. Kubitilla on kaksi mahdollista tilaa – esimerkiksi kaksi eri spinkvanttilukua – mutta kvanttiluonteensa vuoksi se voi olla myös näiden tilojen yhdistelmässä, superpositiossa.
Tutkijat analysoivat, millaisia korrelaatioita syntyy yksittäisen kubitin mittaustuloksissa eri aikaväleillä – esimerkiksi liittyvätkö tämän päivän mittaukset eilisen tai toissapäivän tapahtumiin. He havaitsivat, että korrelaatiot muodostivat matemaattisen rakenteen, joka muistutti kolmiulotteisen avaruuden geometriaa.
He pystyivät johtamaan tästä ajallisesta käyttäytymisestä niin sanotun euklidisen metriikan kaavan, jota käytetään etäisyyksien mittaamiseen kolmiulotteisessa avaruudessa.
Vedral huomauttaa, että havaittu geometria on yksinkertaistettu versio reaalimaailman avaruudesta, mutta se on silti yllättävä tulos näin minimalistisesta lähtökohdasta.
”On kiinnostavaa, että pelkkä yksittäinen kubitti riittää tuottamaan täysin kolmiulotteisen euklidisen avaruuden”, hän sanoo.
Tutkimus antaa myös aiheen pohtia, ovatko aika ja avaruus todella yhtä ja samaa, kuten nykyfysiikan yleinen malli eli neliulotteinen aika-avaruus olettaa. Jos avaruus voidaan johtaa ajasta, nämä kaksi eivät ehkä olekaan niin tiukasti sidoksissa toisiinsa kuin Albert Einsteinin suhteellisuusteoria olettaa.
Esimerkiksi Lee Smolin Kanadan Perimeter-instituutista kannattaa käsitystä, jossa aika on perimmäisempi käsite kuin avaruus. Hänen mukaansa aika ei kuitenkaan ole matemaattinen rakenne vaan pikemminkin jatkuva sarja hetkiä, joissa ei ole fyysisesti mielekästä menneisyyttä tai tulevaisuutta.
Thomas Galley Itävallan kvanttioptiikan ja -informaation instituutista sanoo, että vaikka ihmisille tuntuu intuitiivisesti luonnolliselta erottaa aika ja avaruus toisistaan, matemaattinen ymmärrys siitä, mitä tämä tarkoittaa kvanttijärjestelmissä, on vielä puutteellinen.
Galley myös huomauttaa, että uusi tutkimus ei esitä täsmällistä mekanismia sille, kuinka avaruus tarkalleen ottaen voisi ”tulla esiin” ajasta ja kubitista. Lisäksi ei ole varmaa, että juuri kubitti on ainoa kvanttijärjestelmä, josta euklidinen geometria voidaan johtaa – sama tulos saattaa syntyä monimutkaisemmista kvanttiobjekteista.
Vedral uskoo, että ainakin osa näistä teorioista voisi tulevaisuudessa olla testattavissa laboratoriossa. Ultrakylmät kvanttiobjektit ja kvanttitietokoneiden fyysiset kubitit voivat saavuttaa superpositiotiloja, kuten tässä tutkimuksessa tarkasteltu kubitti. Täydellinen ymmärrys saattaa silti pysyä tavoittamattomissa vielä pitkään.
”Minusta tuntuu, että aika-avaruus saattaa olla lopulta pelkkä fiktiota – hyödyllinen tapa puhua maailmassa tapahtuvista asioista, mutta lopulta emme tarvitse sitä”, Vedral sanoo.
Tilaa nyt TM:n uusi Tiede & teknologia -uutiskirje, niin saat kerran viikossa tärkeimmät tieteen ja teknologian uutiset!