Die gemischten zeitlichen Richtungen des Photons werden Physikern helfen, die Natur von Schwarzen Löchern zu untersuchen.
Was hast du gemacht
Wissenschaftler?
Durch die Teilung eines Photons mit einem speziellen VerfahrenIm optischen Kristall haben zwei unabhängige Gruppen von Physikern das erreicht, was sie eine Quantenzeitrevolution nennen. In diesem Zustand existiert das Photon sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtszeitzustand. Vereinfacht ausgedrückt haben Wissenschaftler bewiesen, dass sich Licht gleichzeitig in der Zeit vorwärts und rückwärts bewegt.
Der Effekt entsteht durch die Kombination zweier seltsamer Prinzipien der Quantenmechanik.
Die erste Kuriosität ist die Quantenüberlagerung
Das erste Prinzip, bekannt als QuantenprinzipDurch die Überlagerung können winzige Teilchen gleichzeitig in vielen verschiedenen Zuständen oder verschiedenen Versionen ihrer selbst existieren, bis sie beobachtet werden. Es gibt ein einfaches Gedankenexperiment, das hilft, dieses wirklich seltsame Konzept zu verstehen. Die Rede ist von der berühmten Schrödinger-Katze.
Schrödingers Katze, Science Centre, Singapur. Foto: Sharon Hahn Darlin
Im Jahr 1935 wurde es von einem der Schöpfer vorgeschlagenQuantenmechaniker Erwin Schrödinger bei einer Diskussion über die physikalische Bedeutung der Wellenfunktion. In einem Gedankenexperiment wird eine Katze in eine versiegelte Kiste mit einem Giftfläschchen gesetzt, dessen Freisetzung durch den radioaktiven Zerfall eines Alphateilchens gesteuert wird. Radioaktiver Zerfall ist ein quantenmechanischer Prozess, der zufällig abläuft.
Deshalb ist es zunächst unmöglich zu wissen, wasDas ist einer Katze passiert, die sich in einer Überlagerung verschiedener Zustände befindet und sowohl tot als auch lebendig ist. Auf jeden Fall, bis ein Beobachter in den Prozess einsteigt – jemand, der die Kiste öffnet und die Wahrheit herausfindet.
Die zweite Kuriosität ist die Quantensymmetrie
Das zweite Prinzip, das verwendet wurdeWissenschaftler – CPT-Invarianz. Dies ist die grundlegende Symmetrie physikalischer Gesetze bei Transformationen, die die gleichzeitige Umkehr von Ladungskonjugation (Ladung, C), Parität (Parität, P) und Zeit (Zeit, T) beinhalten.
CPT ist die einzige Kombination aus C, P und T, dieist die exakte Symmetrie der Natur auf einer grundlegenden Ebene. Nach diesem Prinzip gehorcht jedes System, das Teilchen enthält, denselben physikalischen Gesetzen. Dies geschieht auch dann, wenn die Teilchenladungen, Raumkoordinaten und zeitliche Bewegung umgekehrt sind, wie in einem Spiegel.
"Pfeil der Zeit"
Durch die Kombination dieser beiden Prinzipien schufen Physiker das Photon,die sich scheinbar gleichzeitig entlang des „Pfeils der Zeit“ und zurück bewegte. Dies ist ein philosophischer Begriff, der zur Erklärung der Richtung und Irreversibilität der Zeit verwendet wird. Dieses Konzept wird visuell als Zeitachse oder Pfeil dargestellt. Es bewegt sich geradeaus und nur vorwärts, von der Vergangenheit in die Zukunft.
Ein Experiment mit einem Photon ändert jedoch die Dinge:Den Physikern gelang es, die Zeit zu „täuschen“. Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse von zwei Experimenten (erstes, zweites) auf dem Preprint-Server arXiv. Die Ergebnisse wurden noch nicht einem Peer-Review unterzogen.
Im Allgemeinen trotz seiner LogikDas Konzept des „Zeitpfeils“, den Menschen jeden Tag in der makroskopischen Welt beobachten, widerspricht tatsächlich vielen Grundgesetzen der Physik, sind sich Wissenschaftler sicher. Sie sind im Allgemeinen zeitlich symmetrisch und haben daher keine „bevorzugte“ Zeitrichtung.
Entropieproblem
Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gilt dasDie Entropie des Systems muss zunehmen. Als „Pfeil der Zeit“ ist die Entropie eine der wenigen Größen in der Physik, die dafür sorgt, dass sich die Zeit in eine bestimmte Richtung bewegt.
Zum Beispiel dieser Trend zu zunehmender Unordnungin the Universe erklärt, warum es einfacher ist, Zutaten zu mischen als sie zu trennen. Aufgrund der zunehmenden Unordnung ist die Entropie so eng mit unserem Zeitgefühl verknüpft. Eine berühmte Szene in Kurt Vonneguts Roman Slaughterhouse-Five zeigt, wie Entropie die Richtung der Zeit auf unterschiedliche Weise beeinflusst: Während des Zweiten Weltkriegs werden den Verwundeten Kugeln entzogen; die Brände „schrumpfen“ und der umgekehrte Zeitpfeil zerstört die Unordnung und Verwüstung des Krieges.
Diagramm zur Erklärung der Entropie. Abbildung: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, über Wikimedia Commons
Das Problem ist, dass es Entropie gibtDa es sich in erster Linie um ein statistisches Konzept handelt, gilt es nicht für einzelne subatomare Teilchen. Tatsächlich behält jede Teilchenwechselwirkung, die Wissenschaftler bisher beobachtet haben (einschließlich der bis zu einer Milliarde Wechselwirkungen pro Sekunde, die im weltgrößten Atombeschleuniger, dem Large Hadron Collider, stattfinden), die CPT-Invarianz bei. Somit sind Teilchen, die sich scheinbar zeitlich vorwärts bewegen, nicht von denen im Spiegelsystem der Antiteilchen zu unterscheiden, die „zurück in die Vergangenheit“ reisen. Natürlich bewegt sich die Antimaterie, die beim Urknall aus der Materie entstand, nicht tatsächlich in der Zeit rückwärts. Es verhält sich einfach so, als würde es dem Pfeil der Zeit folgen, das Gegenteil von gewöhnlicher Materie.
Wie liefen die Experimente?
Wie Sie wissen, die Überlagerung, über die wir geschrieben habenoben ist experimentell schwer zu beobachten. Um dies zu erreichen, entwickelten beide Physikerteams ähnliche Experimente, um ein Photon in eine Überlagerung zweier separater Pfade durch einen Kristall aufzuspalten. Infolgedessen bewegte sich das Photon wie üblich auf einem Weg durch den Kristall, ein anderer war jedoch so konfiguriert, dass er die Polarisation des Photons oder seines Punktes im Raum änderte. Das Ziel besteht darin, es so zu bewegen, als würde es in der Zeit zurückreisen.
Photonen außerhalb und innerhalb von Calcit. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Nach der Rekombination überlagerter Photonen passieren sieMit ihnen durch einen anderen Kristall maßen die Physiker in mehreren wiederholten Experimenten die Polarisation der Photonen. Als Ergebnis beobachteten sie ein Quanteninterferenzmuster, das aus hellen und dunklen Bändern bestand. Es könnte nur existieren, wenn sich das Photon spaltete und in beide Zeitrichtungen bewegte. Wie die Autoren der Experimente erklären, ähnelt diese Überlagerung von Prozessen eher einem Objekt, das sich gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Wie wird dies der Wissenschaft helfen?
Es ist bemerkenswert, dass Physiker etwas Einzigartiges geschaffen habenPhoton mit umgekehrter Zeit, nur aus Neugier. Spätere Experimente zeigten jedoch, dass beide Zeitrichtungen mit reversiblen Logikgattern verbunden werden können, um gleichzeitige Berechnungen in beide Richtungen zu ermöglichen. Dies ebnet den Weg für Quantenprozessoren mit erhöhter Rechenleistung.
Die Entdeckung der Wissenschaftler wird die Zukunft der Theorie beeinflussenQuantengravitation, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereinen wird (High-Tech hat zuvor ausführlich über diese beiden grundlegenden Theorien geschrieben). Es sollte Teilchen mit gemischter Zeitorientierung enthalten, wie in den neuen Experimenten. Wenn dies gelingt, können Wissenschaftler einige der mysteriösesten Phänomene im Universum untersuchen. Schauen Sie zum Beispiel in Schwarze Löcher oder verstehen Sie, ob Zeitreisen möglich sind.
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