Οι μικτές χρονικές κατευθύνσεις του φωτονίου θα βοηθήσουν τους φυσικούς να διερευνήσουν τη φύση των μαύρων τρυπών.
Τι έκανες
Επιστήμονες?
Διαιρώντας ένα φωτόνιο χρησιμοποιώντας ένα ειδικόοπτικός κρύσταλλος, δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών πέτυχαν αυτό που αποκαλούν επανάσταση κβαντικού χρόνου. Σε αυτή την κατάσταση, το φωτόνιο υπάρχει τόσο σε εμπρός όσο και σε αντίστροφη χρονική κατάσταση. Με απλά λόγια, οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι το φως κινείται ταυτόχρονα προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο.
Το φαινόμενο προκύπτει ως αποτέλεσμα του συνδυασμού δύο παράξενων αρχών της κβαντικής μηχανικής.
Το πρώτο περίεργο είναι η κβαντική υπέρθεση
Η πρώτη αρχή, γνωστή ως κβαντικήυπέρθεση, επιτρέπει στα μικροσκοπικά σωματίδια να υπάρχουν σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις ή διαφορετικές εκδοχές του εαυτού τους ταυτόχρονα μέχρι να παρατηρηθούν. Υπάρχει ένα απλό πείραμα σκέψης που βοηθά στην κατανόηση αυτής της πραγματικά περίεργης έννοιας. Μιλάμε για τη διάσημη γάτα του Σρέντιγκερ.
Schrödinger's Cat, Επιστημονικό Κέντρο, Σιγκαπούρη. Φωτογραφία: Sharon Hahn Darlin
Το 1935, προτάθηκε από έναν από τους δημιουργούςκβαντομηχανική Erwin Schrödinger κατά τη διάρκεια μιας συζήτησης για τη φυσική σημασία της κυματικής συνάρτησης. Σε ένα πείραμα σκέψης, μια γάτα τοποθετείται σε ένα σφραγισμένο κουτί που περιέχει ένα φιαλίδιο με δηλητήριο, η απελευθέρωση του οποίου ελέγχεται από τη ραδιενεργή διάσπαση ενός σωματιδίου άλφα. Η ραδιενεργή διάσπαση είναι μια κβαντομηχανική διαδικασία που συμβαίνει τυχαία.
Γι' αυτό είναι αρχικά αδύνατο να γνωρίζουμε τισυνέβη σε μια γάτα που βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων, καθώς είναι και νεκρή και ζωντανή. Σε κάθε περίπτωση, μέχρι να ενταχθεί στη διαδικασία ένας παρατηρητής - ένα άτομο που ανοίγει το κουτί και μαθαίνει την αλήθεια.
Το δεύτερο περίεργο είναι η κβαντική συμμετρία
Η δεύτερη αρχή που χρησιμοποιήθηκεεπιστήμονες —Αμετάβλητη CPT. Αυτή είναι η θεμελιώδης συμμετρία των φυσικών νόμων κατά τη διάρκεια μετασχηματισμών που περιλαμβάνουν την ταυτόχρονη αντιστροφή της σύζευξης φορτίου (Charge, C), της ισοτιμίας (Parity, P) και του χρόνου (Time, T).
Το CPT είναι ο μόνος συνδυασμός C, P και T πουείναι η ακριβής συμμετρία της φύσης σε θεμελιώδες επίπεδο. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, κάθε σύστημα που περιέχει σωματίδια θα υπακούει στους ίδιους φυσικούς νόμους. Αυτό θα συμβεί ακόμα κι αν τα φορτία των σωματιδίων, οι χωρικές συντεταγμένες και η κίνηση στο χρόνο αντιστραφούν, όπως σε έναν καθρέφτη.
"Βέλος του χρόνου"
Συνδυάζοντας αυτές τις δύο αρχές, οι φυσικοί δημιούργησαν το φωτόνιο,που φαινόταν να κινείται ταυτόχρονα κατά μήκος του «βέλους του χρόνου» και πίσω. Αυτός είναι ένας φιλοσοφικός όρος που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την κατεύθυνση και το μη αναστρέψιμο του χρόνου. Αυτή η έννοια εμφανίζεται οπτικά ως άξονας χρόνου ή βέλος. Κινείται ευθεία και μόνο μπροστά, από το παρελθόν στο μέλλον.
Ωστόσο, ένα πείραμα με ένα φωτόνιο αλλάζει τα πράγματα:οι φυσικοί κατάφεραν να «εξαπατήσουν» τον χρόνο. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν τα αποτελέσματα δύο πειραμάτων (πρώτο, δεύτερο) στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv. Τα αποτελέσματα δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους.
Γενικά, παρά τη λογική τουΗ έννοια του «βέλους του χρόνου», που οι άνθρωποι παρατηρούν καθημερινά στον μακροσκοπικό κόσμο, στην πραγματικότητα έρχεται σε αντίθεση με πολλούς θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, είναι βέβαιοι οι επιστήμονες. Είναι, γενικά, χρονικά συμμετρικά και επομένως δεν έχουν «αγαπημένη» φορά του χρόνου.
Πρόβλημα εντροπίας
Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, αυτόη εντροπία του συστήματος πρέπει να αυξηθεί. Λειτουργώντας ως το «βέλος του χρόνου», η εντροπία είναι μια από τις λίγες ποσότητες στη φυσική που προκαλεί το χρόνο να κινηθεί προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.
Για παράδειγμα, αυτή η τάση προς αύξηση της ακαταστασίαςστο Σύμπαν εξηγεί γιατί είναι πιο εύκολο να αναμειγνύονται τα συστατικά παρά να τα χωρίζεις. Λόγω της αυξανόμενης διαταραχής, η εντροπία είναι τόσο στενά συνδεδεμένη με την αίσθηση του χρόνου μας. Μια διάσημη σκηνή στο μυθιστόρημα του Kurt Vonnegut Slaughterhouse-Five καταδεικνύει πώς η εντροπία επηρεάζει την κατεύθυνση του χρόνου με διαφορετικούς τρόπους: κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, οι σφαίρες αναρροφούνται από τους τραυματίες. οι φωτιές «μικραίνουν» και το αντίστροφο βέλος του χρόνου καταστρέφει την αταξία και την καταστροφή του πολέμου.
Διάγραμμα που εξηγεί την εντροπία. Εικονογράφηση: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, μέσω Wikimedia Commons
Το πρόβλημα είναι ότι η εντροπία είναιΚατά κύριο λόγο μια στατιστική έννοια, δεν ισχύει για μεμονωμένα υποατομικά σωματίδια. Στην πραγματικότητα, κάθε αλληλεπίδραση σωματιδίων που έχουν παρατηρήσει μέχρι στιγμής οι επιστήμονες (συμπεριλαμβανομένων των έως και ενός δισεκατομμυρίου αλληλεπιδράσεων ανά δευτερόλεπτο που συμβαίνουν μέσα στον μεγαλύτερο ατομικό επιταχυντή στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων) διατηρεί αναλλοίωτη το CPT. Έτσι, τα σωματίδια που φαίνονται να κινούνται προς τα εμπρός στο χρόνο δεν διακρίνονται από αυτά στο σύστημα καθρέφτη των αντισωματιδίων που ταξιδεύουν «πίσω στο παρελθόν». Φυσικά, η αντιύλη που προέκυψε από την ύλη στη Μεγάλη Έκρηξη δεν κινείται προς τα πίσω στο χρόνο. Απλώς συμπεριφέρεται σαν να ακολουθεί το βέλος του χρόνου, το αντίθετο της συνηθισμένης ύλης.
Πώς πήγαν τα πειράματα;
Ως γνωστόν, η υπέρθεση που γράψαμεπαραπάνω, είναι δύσκολο να παρατηρηθεί πειραματικά. Για να επιτευχθεί αυτό, και οι δύο ομάδες φυσικών σχεδίασαν παρόμοια πειράματα για να χωρίσουν ένα φωτόνιο σε μια υπέρθεση δύο ξεχωριστών μονοπατιών μέσω ενός κρυστάλλου. Ως αποτέλεσμα, το φωτόνιο κινήθηκε κατά μήκος μιας διαδρομής μέσω του κρυστάλλου ως συνήθως, αλλά μια άλλη διαμορφώθηκε για να αλλάξει την πόλωση του φωτονίου ή το σημείο του στο διάστημα. Ο στόχος είναι να το κάνετε να κινείται σαν να ταξιδεύει πίσω στο χρόνο.
Φωτόνια έξω και μέσα στον ασβεστίτη. Φωτογραφία: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Μετά από ανασυνδυασμό υπερτιθέμενων φωτονίων, διέλευσηΧρησιμοποιώντας τα μέσω ενός άλλου κρυστάλλου, οι φυσικοί μέτρησαν την πόλωση των φωτονίων σε πολλά επαναλαμβανόμενα πειράματα. Ως αποτέλεσμα, παρατήρησαν ένα μοτίβο κβαντικής παρεμβολής που αποτελείται από φωτεινές και σκοτεινές ζώνες. Θα μπορούσε να υπάρξει μόνο εάν το φωτόνιο διασπαστεί και κινηθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις του χρόνου. Όπως εξηγούν οι συγγραφείς των πειραμάτων, αυτή η υπέρθεση διεργασιών μοιάζει περισσότερο με ένα αντικείμενο που περιστρέφεται ταυτόχρονα δεξιόστροφα και αριστερόστροφα.
Πώς θα βοηθήσει αυτό την επιστήμη;
Είναι αξιοσημείωτο ότι οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα μοναδικόφωτόνιο με ανεστραμμένο χρόνο μόνο από περιέργεια. Αλλά μεταγενέστερα πειράματα έδειξαν ότι και οι δύο κατευθύνσεις του χρόνου μπορούν να συνδεθούν με αναστρέψιμες λογικές πύλες για να παρέχουν ταυτόχρονους υπολογισμούς προς κάθε κατεύθυνση. Αυτό ανοίγει το δρόμο για κβαντικούς επεξεργαστές με αυξημένη επεξεργαστική ισχύ.
Η ανακάλυψη των επιστημόνων θα επηρεάσει το μέλλον της θεωρίαςη κβαντική βαρύτητα, η οποία θα ενώσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική μηχανική (η High-Tech έγραψε προηγουμένως λεπτομερώς για αυτές τις δύο θεμελιώδεις θεωρίες). Θα πρέπει να περιλαμβάνει σωματίδια με μικτό χρονικό προσανατολισμό, όπως στα νέα πειράματα. Εάν αυτό πετύχει, τότε οι επιστήμονες θα μπορούν να μελετήσουν μερικά από τα πιο μυστηριώδη φαινόμενα στο Σύμπαν. Για παράδειγμα, κοιτάξτε τις μαύρες τρύπες ή καταλάβετε αν είναι δυνατό το ταξίδι στο χρόνο.
Διαβάστε περισσότερα:
Ενέργεια υδρογόνου, υλικό κατά του κρύου καιρού και βιοπρόσθετα κατά του COVID-19: τι δημιουργούν οι επιστήμονες στο Βορρά
Το αυγό έπεσε από το διάστημα: δείτε τι συνέβη
Το "The Walking Dead" υπήρχε πριν από εκατομμύρια χρόνια: οι επιστήμονες είπαν πώς εμφανίστηκαν
</ p>