Смесените времеви посоки на фотона ще помогнат на физиците да изследват природата на черните дупки.
какво направи
учени?
Чрез разделяне на фотон с помощта на спецоптичен кристал, две независими групи физици са постигнали това, което наричат квантова революция във времето. В това състояние фотонът съществува както в предно, така и в обратно време. С прости думи учените са доказали, че светлината се движи едновременно напред и назад във времето.
Ефектът възниква в резултат на комбинирането на два странни принципа на квантовата механика.
Първата странност е квантовата суперпозиция
Първият принцип, известен като квантовсуперпозиция, позволява на малките частици да съществуват в много различни състояния или различни версии на себе си едновременно, докато не бъдат наблюдавани. Има прост мисловен експеримент, който помага да се разбере тази наистина странна концепция. Говорим за известната котка на Шрьодингер.
Котката на Шрьодингер, Научен център, Сингапур. Снимка: Шарън Хан Дарлин
През 1935 г. е предложен от един от създателитеквантова механика Ервин Шрьодингер по време на дискусия за физическия смисъл на вълновата функция. В мисловен експеримент котка е поставена в запечатана кутия, съдържаща флакон с отрова, чието освобождаване се контролира от радиоактивния разпад на алфа частица. Радиоактивният разпад е квантово-механичен процес, който се случва произволно.
Ето защо първоначално е невъзможно да се знае каквосе случи с котка, която е в суперпозиция на състояния, като е едновременно мъртва и жива. Във всеки случай, докато в процеса не се включи наблюдател – човек, който отваря кутията и разбира истината.
Втората странност е квантовата симетрия
Вторият принцип, който беше използванучени —CPT-инвариантност. Това е фундаменталната симетрия на физическите закони по време на трансформации, включващи едновременна инверсия на конюгиране на заряд (Charge, C), паритет (Parity, P) и време (Time, T).
CPT е единствената комбинация от C, P и T, коятое точната симетрия на природата на фундаментално ниво. Съгласно този принцип всяка система, съдържаща частици, ще се подчинява на същите физични закони. Това ще се случи дори ако зарядите на частиците, пространствените координати и движението във времето са обърнати, като в огледало.
"Стрелата на времето"
Комбинирайки тези два принципа, физиците създадоха фотона,които сякаш едновременно се движат по „стрелата на времето” и обратно. Това е философски термин, който се използва за обяснение на посоката и необратимостта на времето. Тази концепция е визуално показана като времева ос или стрелка. Движи се право и само напред, от миналото към бъдещето.
Въпреки това, експеримент с фотон променя нещата:физиците успяха да „излъжат“ времето. Учените публикуваха резултатите от два експеримента (първи, втори) на сървъра за предпечат на arXiv. Резултатите все още не са рецензирани.
Като цяло, въпреки логиката сиКонцепцията за „стрелата на времето“, която хората наблюдават всеки ден в макроскопичния свят, всъщност противоречи на много фундаментални закони на физиката, уверени са учените. Като цяло те са симетрични във времето и затова нямат “любима” посока на времето.
Проблем с ентропията
Според втория закон на термодинамиката, товаентропията на системата трябва да нараства. Действайки като „стрела на времето“, ентропията е една от малкото величини във физиката, които карат времето да се движи в определена посока.
Например тази тенденция към нарастващ безпорядъквъв Вселената обяснява защо е по-лесно да се смесват съставки, отколкото да се разделят. Именно поради нарастващия безпорядък ентропията е толкова тясно свързана с нашето усещане за време. Известна сцена в романа на Кърт Вонегът „Кланица 5“ показва как ентропията влияе върху посоката на времето по различни начини: по време на Втората световна война куршумите се изсмукват от ранените; огньовете се „свиват“ и обърнатата стрела на времето унищожава безпорядъка и опустошението на войната.
Диаграма, обясняваща ентропията. Илюстрация: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, чрез Wikimedia Commons
Проблемът е, че ентропията еОсновно статистическа концепция, тя не се прилага за отделни субатомни частици. Всъщност всяко взаимодействие на частици, наблюдавано от учените досега (включително до един милиард взаимодействия в секунда, които се случват в най-големия атомен ускорител в света, Големия адронен колайдер), поддържа CPT инвариантност. По този начин частиците, които изглежда се движат напред във времето, са неразличими от тези в огледалната система на античастиците, пътуващи „назад в миналото“. Разбира се, антиматерията, която се е появила от материята при Големия взрив, всъщност не се движи назад във времето. Просто се държи така, сякаш следва стрелата на времето, обратното на обикновената материя.
Как минаха експериментите?
Както знаете, суперпозицията, за която писахмепо-горе, е трудно да се наблюдава експериментално. За да постигнат това, и двата екипа от физици проектираха подобни експерименти за разделяне на фотон в суперпозиция на два отделни пътя през кристал. В резултат на това фотонът се движеше по един път през кристала, както обикновено, но друг беше конфигуриран да промени поляризацията на фотона или неговата точка в пространството. Целта е да го накарате да се движи, сякаш пътува назад във времето.
Фотони отвън и вътре в калцита. Снимка: Ян Павелка, CC BY-SA 4.0
След рекомбинация на насложени фотони, преминаванеИзползвайки ги чрез друг кристал, физиците измерват поляризацията на фотоните в няколко повторени експеримента. В резултат на това те наблюдават модел на квантова интерференция, който се състои от светли и тъмни ленти. Може да съществува само ако фотонът се раздели и се движи в двете посоки на времето. Както обясняват авторите на експериментите, това наслагване на процеси прилича повече на обект, който се върти едновременно по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка.
Как това ще помогне на науката?
Прави впечатление, че физиците са създали уникаленфотон с обърнато време просто от любопитство. Но следващите експерименти показаха, че и двете посоки на времето могат да бъдат свързани с обратими логически порти, за да осигурят едновременни изчисления във всяка посока. Това проправя пътя за квантови процесори с повишена мощност на обработка.
Откритието на учените ще повлияе на бъдещето на теориятаквантова гравитация, която ще обедини общата теория на относителността и квантовата механика (High-Tech по-рано писа подробно за тези две фундаментални теории). Той трябва да включва частици със смесена времева ориентация, както в новите експерименти. Ако това успее, тогава учените ще могат да изследват някои от най-мистериозните явления във Вселената. Например, погледнете в черните дупки или разберете дали пътуването във времето е възможно.
Прочетете още:
Водородна енергия, материал срещу студено време и биодобавки срещу COVID-19: какво създават учените на север
Яйцето беше изпуснато от космоса: вижте какво се случи с него
„Живите мъртви“ са съществували преди милиони години: учени разказаха как са се появили
</ P>