Je hebt waarschijnlijk gehoord van de kat van Schrödinger, de ongelukkige kat in een doos die tegelijkertijd levend en dood is totdat de doos wordt geopend om zijn werkelijke staat te onthullen. Welnu, wikkel nu uw gedachten rond de tijd van Schrödinger, een situatie waarin de ene gebeurtenis tegelijkertijd de oorzaak en het gevolg kan zijn van een andere gebeurtenis.
Een dergelijk scenario kan onvermijdelijk zijn in elke theorie van kwantumzwaartekracht, een nog steeds duister gebied van de natuurkunde dat Albert Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie probeert te combineren met de werking van de kwantummechanica. In een nieuw artikel creëren wetenschappers een mashup van de twee door zich sterrenschepen voor te stellen in de buurt van een enorme planeet waarvan de massa de tijd vertraagt. Ze concluderen dat het sterrenschip in een toestand kan verkeren waarin de oorzaak is omgekeerd: de ene gebeurtenis kan leiden tot een andere gebeurtenis die ervoor plaatsvond.
"Men kan dit soort scenario bedenken waarbij de temporele orde of oorzaak en gevolg in de superpositie liggen van omgekeerd of niet omgekeerd", zegt co-auteur Igor Pikovski, natuurkundige bij het Center for Quantum Science and Engineering aan het Stevens Institute of Technology in New Jersey. 'Dit is iets waarvan we verwachten dat het plaatsvindt zodra we een volledige theorie van de kwantumzwaartekracht hebben.'
Quantum tijd
Het beroemde Schrödinger-gedachte-experiment voor katten vraagt een kijker zich een doos voor te stellen met een kat en een radioactief deeltje, dat, eenmaal vervallen, de ongelukkige kat zal doden. Volgens het principe van kwantumsuperpositie is de overleving of dood van de kat even waarschijnlijk tot hij wordt gemeten - dus totdat de doos wordt geopend, is de kat tegelijkertijd levend en dood. In de kwantummechanica betekent superpositie dat een deeltje in meerdere toestanden tegelijk kan bestaan, net als de kat van Schrödinger.
Het nieuwe gedachte-experiment, gepubliceerd op 21 augustus in het tijdschrift Nature Communications, combineert het principe van kwantumsuperpositie met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Algemene relativiteitstheorie zegt dat de massa van een gigantisch object de tijd kan vertragen. Dit staat vast als waar en meetbaar, zei Pikovski; een astronaut die in een baan om de aarde draait, zal de tijd slechts een klein beetje sneller ervaren dan zijn of haar tweelingbroer op de planeet. (Dit is ook de reden waarom in een zwart gat vallen een zeer geleidelijke ervaring zou zijn.)
Dus als een futuristisch ruimtevaartuig in de buurt van een enorme planeet zou zijn, zou de bemanning de tijd als iets langzamer ervaren dan mensen in een ander ruimtevaartuig dat verder weg was gestationeerd. Gooi er nu een beetje kwantummechanica in, en je kunt je een situatie voorstellen waarin die planeet gelijktijdig superponeert dichtbij en ver weg van de twee ruimtevaartuigen.
Tijd wordt raar
In dit gesuperponeerde scenario van twee schepen die tijd op verschillende tijdlijnen ervaren, kunnen oorzaak en gevolg wankel worden. Stel bijvoorbeeld dat de schepen wordt gevraagd om een trainingsmissie uit te voeren waarbij ze op elkaar schieten en elkaars vuur ontwijken, wetende dat de raketten zullen lanceren en hun posities zullen onderscheppen. Als er geen enorme planeet in de buurt is die met de tijdstroom stroomt, is dit een eenvoudige oefening. Aan de andere kant, als die enorme planeet aanwezig was en de kapitein van het schip geen rekening hield met de vertraging van de tijd, zou de bemanning misschien te laat ontwijken en vernietigd worden.
Met de planeet in superpositie, tegelijkertijd dichtbij en ver weg, zou het onmogelijk zijn om te weten of de schepen te laat zouden ontwijken en elkaar zouden vernietigen of dat ze opzij zouden gaan en zouden overleven. Bovendien kunnen oorzaak en gevolg worden omgekeerd, zei Pikovski. Stel je twee gebeurtenissen voor, A en B, die causaal verband houden.
"A en B kunnen elkaar beïnvloeden, maar in het ene geval staat A vóór B, terwijl in het andere geval B vóór A is" in een superpositietoestand, zei Pikovski. Dat betekent dat zowel A als B tegelijk oorzaak en gevolg van elkaar zijn. Gelukkig voor de waarschijnlijk verwarde bemanningen van dit denkbeeldige ruimtevaartuig, zei Pikovski, zouden ze een wiskundige manier hebben om elkaars uitzendingen te analyseren om te bevestigen dat ze zich in een superpositie bevonden.
Het is duidelijk dat planeten in het echte leven niet willekeurig door de melkweg bewegen. Maar het gedachte-experiment kan praktische implicaties hebben voor quantum computing, zelfs zonder een hele theorie van kwantumzwaartekracht uit te werken, zei Pikovski. Door superposities in berekeningen te gebruiken, zou een kwantumcomputersysteem tegelijkertijd een proces als oorzaak en als gevolg kunnen evalueren.
'Quantumcomputers kunnen dit mogelijk gebruiken voor een efficiëntere berekening', zei hij.
