Smíšené časové směry fotonu pomohou fyzikům zkoumat povahu černých děr.
Co jsi dělal
vědci?
Dělením fotonu pomocí specoptického krystalu, dvě nezávislé skupiny fyziků dosáhly toho, čemu říkají kvantová časová revoluce. V tomto stavu existuje foton v dopředném i zpětném časovém stavu. Jednoduše řečeno, vědci prokázali, že světlo se pohybuje současně vpřed a vzad v čase.
Efekt vzniká jako výsledek spojení dvou podivných principů kvantové mechaniky.
První zvláštností je kvantová superpozice
První princip, známý jako kvantovýsuperpozice, umožňuje malým částicím existovat v mnoha různých stavech nebo různých verzích samých současně, dokud nejsou pozorovány. Existuje jednoduchý myšlenkový experiment, který pomáhá pochopit tento opravdu zvláštní koncept. Řeč je o slavné Schrödingerově kočce.
Schrödingerova kočka, Science Centre, Singapur. Foto: Sharon Hahn Darlin
V roce 1935 to navrhl jeden z tvůrcůkvantová mechanika Erwin Schrödinger během diskuse o fyzikálním významu vlnové funkce. V myšlenkovém experimentu je kočka umístěna do zapečetěné krabice obsahující lahvičku s jedem, jehož uvolňování je řízeno radioaktivním rozpadem alfa částice. Radioaktivní rozpad je kvantově mechanický proces, ke kterému dochází náhodně.
Proto zpočátku nelze vědět cose stalo kočce, která je v superpozici stavů, je mrtvá i živá. V každém případě do té doby, než se do procesu zapojí pozorovatel – člověk, který krabici otevře a zjistí pravdu.
Druhou zvláštností je kvantová symetrie
Druhý princip, který byl použitvědci —CPT-invariance. Toto je základní symetrie fyzikálních zákonů během transformací zahrnujících současnou inverzi konjugace náboje (Charge, C), parity (Parita, P) a času (Time, T).
CPT je jediná kombinace C, P a T, kteráje přesná symetrie přírody na základní úrovni. Podle tohoto principu bude každý systém obsahující částice dodržovat stejné fyzikální zákony. To se stane, i když náboje částic, prostorové souřadnice a pohyb v čase jsou převráceny, jako v zrcadle.
"Šípka času"
Spojením těchto dvou principů vytvořili fyzici foton,který jako by se současně pohyboval podél „šipky času“ a zpět. Toto je filozofický termín, který se používá k vysvětlení směru a nevratnosti času. Tento koncept je vizuálně znázorněn jako časová osa nebo šipka. Pohybuje se přímo a pouze vpřed, z minulosti do budoucnosti.
Experiment s fotonem však věci mění:fyzikům se podařilo „oklamat“ čas. Vědci zveřejnili výsledky dvou experimentů (prvního, druhého) na předtiskovém serveru arXiv. Výsledky ještě nebyly recenzovány.
Obecně i přes jeho logikuVědci jsou si jisti, že koncept „šipky času“, kterou lidé každý den pozorují v makroskopickém světě, ve skutečnosti odporuje mnoha základním fyzikálním zákonům. Jsou obecně symetrické v čase, a proto nemají „oblíbený“ směr času.
Problém entropie
Podle druhého termodynamického zákona, žeentropie systému se musí zvýšit. Entropie, která působí jako „šipka času“, je jednou z mála veličin ve fyzice, která způsobuje, že se čas pohybuje určitým směrem.
Například tento trend ke zvýšení nepořádkuin the Universe vysvětluje, proč je snazší míchat přísady než je oddělovat. Právě kvůli rostoucí nepořádku je entropie tak úzce spjata s naším vnímáním času. Slavná scéna v románu Kurta Vonneguta Jatka-pět demonstruje, jak entropie ovlivňuje směr času různými způsoby: během druhé světové války jsou z raněných vysávány kulky; ohně se „zmenšují“ a obrácený šíp času ničí nepořádek a zkázu války.
Diagram vysvětlující entropii. Ilustrace: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, prostřednictvím Wikimedia Commons
Problém je v tom, že entropie anoPrimárně statistický koncept, nevztahuje se na jednotlivé subatomární částice. Ve skutečnosti každá interakce částic, kterou vědci dosud pozorovali (včetně až miliardy interakcí za sekundu, ke kterým dochází uvnitř největšího atomového urychlovače na světě, Velkého hadronového urychlovače), udržuje CPT invarianci. Částice, které se zdají být v čase, jsou tedy k nerozeznání od těch v zrcadlovém systému antičástic putujících „zpět do minulosti“. Antihmota, která se vynořila z hmoty při velkém třesku, se samozřejmě ve skutečnosti neposouvá zpět v čase. Prostě se chová, jako by sledoval šipku času, opak běžné hmoty.
Jak experimenty probíhaly?
Jak víte, superpozice, o které jsme psalivýše, je obtížné experimentálně pozorovat. Aby toho dosáhli, oba týmy fyziků navrhly podobné experimenty, aby rozdělily foton na superpozici dvou samostatných drah krystalem. V důsledku toho se foton pohyboval po jedné cestě krystalem jako obvykle, ale jiná byla nakonfigurována tak, aby změnila polarizaci fotonu nebo jeho bod v prostoru. Cílem je, aby se pohyboval, jako by cestoval zpět v čase.
Fotony vně a uvnitř kalcitu. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Po rekombinaci superponovaných fotonů procházejícíFyzici je použili přes jiný krystal a měřili polarizaci fotonů v několika opakovaných experimentech. V důsledku toho pozorovali kvantový interferenční vzor, který se skládal ze světlých a tmavých pásů. Mohl by existovat pouze tehdy, kdyby se foton rozdělil a pohyboval se v obou směrech času. Jak vysvětlují autoři experimentů, tato superpozice procesů je spíše jako objekt, který rotuje současně ve směru i proti směru hodinových ručiček.
Jak to pomůže vědě?
Je pozoruhodné, že fyzici vytvořili unikátfoton s převráceným časem jen ze zvědavosti. Ale následné experimenty ukázaly, že oba směry času lze připojit k reverzibilním logickým hradlům, aby bylo možné provádět simultánní výpočty v obou směrech. To otevírá cestu pro kvantové procesory se zvýšeným výpočetním výkonem.
Objev vědců ovlivní budoucnost teoriekvantové gravitace, která sjednotí obecnou teorii relativity a kvantovou mechaniku (High-Tech dříve podrobně psal o těchto dvou základních teoriích). Měl by zahrnovat částice se smíšenou časovou orientací, jako v nových experimentech. Pokud se to podaří, vědci budou moci studovat některé z nejzáhadnějších jevů ve vesmíru. Podívejte se například do černých děr nebo pochopte, zda je možné cestovat časem.
Přečtěte si více:
Vodíková energie, materiál proti chladnému počasí a bioaditiva proti COVID-19: co vytvářejí vědci na severu
Vejce bylo vypuštěno z vesmíru: podívejte se, co se s ním stalo
"The Walking Dead" existovali před miliony let: vědci řekli, jak se objevili
</ p>