ستساعد الاتجاهات الزمنية المختلطة للفوتون الفيزيائيين على استكشاف طبيعة الثقوب السوداء.
ماذا فعلت
العلماء؟
عن طريق تقسيم الفوتون باستخدام خاصالبلورة الضوئية، حققت مجموعتان مستقلتان من الفيزيائيين ما يسمونه ثورة الزمن الكمي. في هذه الحالة، يكون الفوتون موجودًا في حالتي الزمن الأمامي والخلفي. بعبارات بسيطة، أثبت العلماء أن الضوء يتحرك للأمام والخلف في الوقت نفسه.
ينشأ هذا التأثير نتيجة الجمع بين مبدأين غريبين في ميكانيكا الكم.
الغرابة الأولى هي التراكب الكمومي
المبدأ الأول، المعروف باسم الكمالتراكب، يسمح للجسيمات الصغيرة بالوجود في العديد من الحالات المختلفة أو إصدارات مختلفة من نفسها في وقت واحد حتى يتم ملاحظتها. هناك تجربة فكرية بسيطة تساعد على فهم هذا المفهوم الغريب حقًا. نحن نتحدث عن قطة شرودنغر الشهيرة.
قط شرودنغر ، مركز العلوم ، سنغافورة. الصورة: شارون هان دارلين
في عام 1935، اقترحه أحد المبدعينميكانيكا الكم إروين شرودنغر أثناء مناقشة المعنى الفيزيائي للدالة الموجية. في تجربة فكرية، يتم وضع قطة في صندوق مغلق يحتوي على قارورة سم، ويتم التحكم في إطلاقها عن طريق التحلل الإشعاعي لجسيم ألفا. الاضمحلال الإشعاعي هو عملية ميكانيكية كمية تحدث بشكل عشوائي.
هذا هو السبب في أنه من المستحيل في البداية معرفة ماذاحدث لقطة في حالة تراكب الحالات، كونها حية وميتة. على أية حال، حتى ينضم مراقب إلى العملية - الشخص الذي يفتح الصندوق ويكتشف الحقيقة.
الشذوذ الثاني هو التناظر الكمومي
المبدأ الثاني الذي تم استخدامهالعلماء - ثبات CPT. هذا هو التناظر الأساسي للقوانين الفيزيائية أثناء التحولات التي تنطوي على الانقلاب المتزامن لاقتران الشحنة (الشحنة، C)، والتكافؤ (التكافؤ، P) والوقت (الزمن، T).
CPT هو المزيج الوحيد من C وP وTهو التماثل الدقيق للطبيعة على المستوى الأساسي. ووفقا لهذا المبدأ، فإن أي نظام يحتوي على جسيمات سوف يخضع لنفس القوانين الفيزيائية. سيحدث هذا حتى لو تم عكس شحنات الجسيمات والإحداثيات المكانية والحركة في الزمن، كما هو الحال في المرآة.
"سهم الوقت"
ومن خلال الجمع بين هذين المبدأين، أنشأ الفيزيائيون الفوتون،والذي يبدو أنه يتحرك في نفس الوقت على طول "سهم الزمن" ويعود. هذا مصطلح فلسفي يستخدم لشرح اتجاه الزمن وعدم رجعته. يظهر هذا المفهوم بشكل مرئي كمحور زمني أو سهم. إنه يتحرك بشكل مستقيم وإلى الأمام فقط، من الماضي إلى المستقبل.
ومع ذلك، فإن تجربة الفوتون تغير الأمور:تمكن الفيزيائيون من "خداع" الوقت. نشر العلماء نتائج تجربتين (الأولى والثانية) على خادم الطباعة المسبقة arXiv. ولم تتم مراجعة النتائج بعد من قبل النظراء.
بشكل عام، على الرغم من منطقهامن المؤكد أن العلماء يعتقدون أن مفهوم "سهم الزمن"، الذي يلاحظه الناس كل يوم في العالم المجهري، يتناقض في الواقع مع العديد من القوانين الأساسية للفيزياء. وهي بشكل عام متناظرة في الزمن، وبالتالي ليس لديها اتجاه "مفضل" للوقت.
مشكلة الانتروبيا
وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، ذلكيجب أن تزيد إنتروبيا النظام. تعتبر الإنتروبيا، باعتبارها "سهم الزمن"، واحدة من الكميات القليلة في الفيزياء التي تتسبب في تحرك الوقت في اتجاه معين.
على سبيل المثال، هذا الاتجاه نحو زيادة الفوضىفي الكون يشرح لماذا يكون خلط المكونات أسهل من فصلها. وبسبب الفوضى المتزايدة، ترتبط الإنتروبيا ارتباطًا وثيقًا بإحساسنا بالوقت. يُظهر مشهد مشهور في رواية كورت فونيغوت "المسلخ الخامس" كيف تؤثر الإنتروبيا على اتجاه الزمن بطرق مختلفة: خلال الحرب العالمية الثانية، يُمتص الرصاص من الجرحى؛ "تتقلص" الحرائق وسهم الزمن المعكوس يدمر الفوضى والدمار الذي تحدثه الحرب.
رسم تخطيطي يشرح الانتروبيا. رسم توضيحي: BlyumJ ، CC BY-SA 4.0 ، عبر ويكيميديا كومنز
المشكلة هي أن الانتروبيا هيوهو في المقام الأول مفهوم إحصائي، ولا ينطبق على الجسيمات دون الذرية الفردية. في الواقع، كل التفاعلات الجزيئية التي لاحظها العلماء حتى الآن (بما في ذلك ما يصل إلى مليار تفاعل في الثانية التي تحدث داخل أكبر مسرع ذري في العالم، مصادم الهادرونات الكبير) تحافظ على ثبات CPT. وبالتالي، فإن الجسيمات التي يبدو أنها تتحرك للأمام عبر الزمن لا يمكن تمييزها عن تلك الموجودة في نظام المرآة للجسيمات المضادة التي تسافر "عائدة إلى الماضي". بالطبع، المادة المضادة التي نشأت من المادة في الانفجار الكبير لا تتحرك في الواقع إلى الوراء في الزمن. إنها تتصرف كما لو أنها تتبع سهم الزمن، عكس المادة العادية.
كيف سارت التجارب؟
كما تعلمون، التراكب الذي كتبنا عنهأعلاه، من الصعب أن نلاحظ تجريبيا. ولتحقيق ذلك، صمم كلا الفريقين من الفيزيائيين تجارب مماثلة لتقسيم الفوتون إلى تراكب مسارين منفصلين عبر البلورة. ونتيجة لذلك، تحرك الفوتون على طول مسار واحد عبر البلورة كالمعتاد، ولكن تم تكوين مسار آخر لتغيير استقطاب الفوتون أو نقطته في الفضاء. الهدف هو جعلها تتحرك كما لو كانت تسافر عبر الزمن.
الفوتونات خارج وداخل الكالسيت. الصورة: جان بافيلكا، CC BY-SA 4.0
بعد إعادة تركيب الفوتونات المتراكبة، تمروباستخدامها من خلال بلورة أخرى، قام الفيزيائيون بقياس استقطاب الفوتونات في عدة تجارب متكررة. ونتيجة لذلك، لاحظوا نمط التداخل الكمي الذي يتكون من نطاقات فاتحة ومظلمة. ولا يمكن أن يوجد إلا إذا انقسم الفوتون وتحرك في اتجاهي الزمن. وكما يوضح مؤلفو التجارب، فإن تراكب العمليات هذا يشبه إلى حد كبير جسمًا يدور في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت.
كيف سيساعد هذا العلم؟
ومن الجدير بالذكر أن الفيزيائيين خلقوا فريدة من نوعهاالفوتون مع الزمن المقلوب فقط من باب الفضول. لكن التجارب اللاحقة أظهرت أن كلا الاتجاهين للزمن يمكن ربطهما ببوابات منطقية قابلة للعكس لتوفير حسابات متزامنة في أي من الاتجاهين. وهذا يمهد الطريق للمعالجات الكمومية ذات قوة المعالجة المتزايدة.
سوف يؤثر اكتشاف العلماء على مستقبل النظريةالجاذبية الكمومية، والتي ستوحد النظرية النسبية العامة وميكانيكا الكم (كتبت شركة High-Tech سابقًا بالتفصيل عن هاتين النظريتين الأساسيتين). وينبغي أن تشمل الجسيمات ذات التوجه الزمني المختلط، كما هو الحال في التجارب الجديدة. إذا نجح هذا، فسيكون العلماء قادرين على دراسة بعض الظواهر الأكثر غموضا في الكون. على سبيل المثال، انظر إلى الثقوب السوداء أو افهم ما إذا كان السفر عبر الزمن ممكنًا.
قراءة المزيد:
طاقة الهيدروجين ، مادة مضادة للطقس البارد ومُضافات حيوية ضد كوفيد -19: ما يصنعه العلماء في الشمال
تم إسقاط البيضة من الفضاء: انظر ماذا حدث لها
كان فيلم "The Walking Dead" موجودًا منذ ملايين السنين: أخبر العلماء كيف ظهروا
</ p>