Las direcciones temporales mixtas del fotón ayudarán a los físicos a investigar la naturaleza de los agujeros negros.
Qué hiciste
¿científicos?
Al dividir un fotón usando un especialcristal óptico, dos grupos independientes de físicos han logrado lo que llaman una revolución del tiempo cuántico. En este estado, el fotón existe tanto en estados de tiempo directo como inverso. En pocas palabras, los científicos han demostrado que la luz avanza y retrocede simultáneamente en el tiempo.
El efecto surge como resultado de la combinación de dos extraños principios de la mecánica cuántica.
La primera rareza es la superposición cuántica.
El primer principio, conocido como cuántico.La superposición permite que las partículas diminutas existan en muchos estados diferentes o en diferentes versiones de sí mismas simultáneamente hasta que son observadas. Hay un experimento mental simple que ayuda a comprender este concepto realmente extraño. Estamos hablando del famoso gato de Schrödinger.
Gato de Schrödinger, Centro de Ciencias, Singapur. Foto: Sharon Hahn Darlin
En 1935, fue propuesto por uno de los creadores.mecánica cuántica Erwin Schrödinger durante una discusión sobre el significado físico de la función de onda. En un experimento mental, se coloca a un gato en una caja sellada que contiene un frasco de veneno, cuya liberación está controlada por la desintegración radiactiva de una partícula alfa. La desintegración radiactiva es un proceso de mecánica cuántica que ocurre de forma aleatoria.
Por eso es inicialmente imposible saber quéLe pasó a un gato que está en una superposición de estados, estando vivo y muerto. En cualquier caso, hasta que un observador se une al proceso, una persona que abre la caja y descubre la verdad.
La segunda rareza es la simetría cuántica.
El segundo principio que se utilizóCientíficos: invariancia CPT. Ésta es la simetría fundamental de las leyes físicas durante las transformaciones que involucran la inversión simultánea de la conjugación de carga (Carga, C), paridad (Paridad, P) y tiempo (Tiempo, T).
CPT es la única combinación de C, P y T quees la simetría exacta de la naturaleza en un nivel fundamental. Según este principio, cualquier sistema que contenga partículas obedecerá las mismas leyes físicas. Esto sucederá incluso si las cargas de las partículas, las coordenadas espaciales y el movimiento en el tiempo se invierten, como en un espejo.
"Flecha del tiempo"
Combinando estos dos principios, los físicos crearon el fotón,que parecía moverse simultáneamente a lo largo de la "flecha del tiempo" y hacia atrás. Este es un término filosófico que se utiliza para explicar la dirección y la irreversibilidad del tiempo. Este concepto se muestra visualmente como un eje de tiempo o una flecha. Se mueve recto y sólo hacia adelante, del pasado al futuro.
Sin embargo, un experimento con un fotón cambia las cosas:Los físicos lograron “engañar” al tiempo. Los científicos publicaron los resultados de dos experimentos (primero, segundo) en el servidor de preimpresión arXiv. Los resultados aún no han sido revisados por pares.
En general, a pesar de su lógicaLos científicos están seguros de que el concepto de "flecha del tiempo", que la gente observa todos los días en el mundo macroscópico, en realidad contradice muchas leyes fundamentales de la física. Son, en general, simétricos en el tiempo y por tanto no tienen una dirección temporal “favorita”.
Problema de entropía
Según la segunda ley de la termodinámica, quela entropía del sistema debe aumentar. Actuando como la "flecha del tiempo", la entropía es una de las pocas cantidades en física que hace que el tiempo se mueva en una dirección determinada.
Por ejemplo, esta tendencia hacia el aumento del desordenen el Universo explica por qué es más fácil mezclar ingredientes que separarlos. Es debido al creciente desorden que la entropía está tan estrechamente ligada a nuestro sentido del tiempo. Una famosa escena de la novela Slaughterhouse-Five de Kurt Vonnegut demuestra cómo la entropía afecta la dirección del tiempo de diferentes maneras: durante la Segunda Guerra Mundial, las balas son succionadas de los heridos; los fuegos “se reducen” y la flecha invertida del tiempo destruye el desorden y la devastación de la guerra.
Diagrama que explica la entropía. Ilustración: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons
El problema es que la entropía esEs principalmente un concepto estadístico, no se aplica a partículas subatómicas individuales. De hecho, cada interacción de partículas que los científicos han observado hasta ahora (incluidas las hasta mil millones de interacciones por segundo que ocurren dentro del acelerador atómico más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones) mantiene la invariancia del CPT. Por tanto, las partículas que parecen avanzar en el tiempo son indistinguibles de las del sistema especular de antipartículas que viajan "hacia el pasado". Por supuesto, la antimateria que surgió de la materia en el Big Bang en realidad no retrocede en el tiempo. Simplemente se comporta como si siguiera la flecha del tiempo, lo contrario de la materia ordinaria.
¿Cómo fueron los experimentos?
Como sabes, la superposición sobre la que escribimosarriba, es difícil de observar experimentalmente. Para lograrlo, ambos equipos de físicos diseñaron experimentos similares para dividir un fotón en una superposición de dos caminos separados a través de un cristal. Como resultado, el fotón se movió a lo largo de un camino a través del cristal como de costumbre, pero se configuró otro para cambiar la polarización del fotón o su punto en el espacio. El objetivo es hacer que se mueva como si viajara en el tiempo.
Fotones fuera y dentro de la calcita. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Después de la recombinación de fotones superpuestos, pasandoUsándolos a través de otro cristal, los físicos midieron la polarización de los fotones en varios experimentos repetidos. Como resultado, observaron un patrón de interferencia cuántica que consistía en bandas claras y oscuras. Sólo podría existir si el fotón se dividiera y se moviera en ambas direcciones del tiempo. Como explican los autores de los experimentos, esta superposición de procesos se parece más a un objeto que gira simultáneamente en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj.
¿Cómo ayudará esto a la ciencia?
Es de destacar que los físicos han creado un únicofotón con tiempo invertido solo por curiosidad. Pero experimentos posteriores demostraron que ambas direcciones del tiempo pueden conectarse a puertas lógicas reversibles para proporcionar cálculos simultáneos en cualquier dirección. Esto allana el camino para los procesadores cuánticos con mayor potencia de procesamiento.
El descubrimiento de los científicos influirá en el futuro de la teoría.gravedad cuántica, que unirá la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica (High-Tech escribió anteriormente en detalle sobre estas dos teorías fundamentales). Debería incluir partículas con orientación temporal mixta, como en los nuevos experimentos. Si esto tiene éxito, los científicos podrán estudiar algunos de los fenómenos más misteriosos del Universo. Por ejemplo, observar los agujeros negros o comprender si es posible viajar en el tiempo.
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