Fotonin sekalaiset ajalliset suunnat auttavat fyysikoita tutkimaan mustien aukkojen luonnetta.
Mitä teit?
tiedemiehet?
Jakamalla fotoni käyttämällä erityistäoptisen kristallin kaksi itsenäistä fyysikkoryhmää ovat saavuttaneet kvanttiajan vallankumouksen. Tässä tilassa fotoni on olemassa sekä myötä- että taaksepäin ajassa. Yksinkertaisesti sanottuna tiedemiehet ovat osoittaneet, että valo liikkuu samanaikaisesti eteenpäin ja taaksepäin ajassa.
Vaikutus syntyy, kun yhdistetään kaksi outoa kvanttimekaniikan periaatetta.
Ensimmäinen outo asia on kvantti superpositio
Ensimmäinen periaate, joka tunnetaan nimellä kvanttisuperpositio mahdollistaa pienten hiukkasten olemassaolon useissa eri olomuodoissa tai eri versioissa itsestään samanaikaisesti, kunnes ne havaitaan. On olemassa yksinkertainen ajatuskoe, joka auttaa ymmärtämään tämän todella oudon käsitteen. Puhumme kuuluisasta Schrödingerin kissasta.
Schrödingerin kissa, tiedekeskus, Singapore. Kuva: Sharon Hahn Darlin
Vuonna 1935 yksi tekijöistä ehdotti sitäkvanttimekaniikka Erwin Schrödinger keskustelun aikana aaltofunktion fysikaalisesta merkityksestä. Ajatuskokeessa kissa asetetaan suljettuun laatikkoon, jossa on myrkkypullo, jonka vapautumista kontrolloi alfahiukkasen radioaktiivinen hajoaminen. Radioaktiivinen hajoaminen on kvanttimekaaninen prosessi, joka tapahtuu satunnaisesti.
Siksi on aluksi mahdotonta tietää mitätapahtui kissalle, joka on tilojen superpositiossa, ollessaan sekä kuollut että elossa. Joka tapauksessa, kunnes prosessiin liittyy tarkkailija - henkilö, joka avaa laatikon ja saa selville totuuden.
Toinen outo asia on kvanttisymmetria
Toinen käytetty periaatetiedemiehet -CPT-invarianssi. Tämä on fysikaalisten lakien perustavanlaatuinen symmetria muutosten aikana, joihin liittyy samanaikainen varauskonjugaation (Charge, C), pariteetin (Parity, P) ja ajan (Time, T) inversio.
CPT on ainoa C:n, P:n ja T:n yhdistelmäon luonnon tarkka symmetria perustasolla. Tämän periaatteen mukaan mikä tahansa hiukkasia sisältävä järjestelmä noudattaa samoja fysikaalisia lakeja. Tämä tapahtuu, vaikka hiukkasten varaukset, tilakoordinaatit ja liike ajassa käännetään, kuten peilissä.
"Ajan nuoli"
Yhdistämällä nämä kaksi periaatetta fyysikot loivat fotonin,joka näytti liikkuvan samanaikaisesti "ajan nuolta" pitkin ja takaisin. Tämä on filosofinen termi, jota käytetään selittämään ajan suuntaa ja peruuttamattomuutta. Tämä käsite esitetään visuaalisesti aika-akselina tai nuolena. Se liikkuu suoraan ja vain eteenpäin, menneisyydestä tulevaisuuteen.
Kokeilu fotonilla muuttaa kuitenkin asioita:fyysikot onnistuivat "pettämään" ajan. Tutkijat julkaisivat kahden kokeen tulokset (ensimmäinen, toinen) arXiv preprint -palvelimella. Tuloksia ei ole vielä vertaisarvioitu.
Yleensä logiikasta huolimatta"Ajan nuolen" käsite, jota ihmiset tarkkailevat joka päivä makroskooppisessa maailmassa, on itse asiassa ristiriidassa monien fysiikan peruslakien kanssa, tutkijat ovat varmoja. Ne ovat yleensä ajallisesti symmetrisiä, joten niillä ei ole "suosikki" ajan suuntaa.
Entropia ongelma
Termodynamiikan toisen lain mukaan sejärjestelmän entropian tulee kasvaa. "Ajan nuolena" toimiva entropia on yksi harvoista fysiikan suureista, joka saa ajan liikkumaan tiettyyn suuntaan.
Esimerkiksi tämä trendi lisätä sotkuain Universe selittää, miksi ainesosien sekoittaminen on helpompaa kuin erottaminen. Kasvavan epäjärjestyksen vuoksi entropia on niin läheisesti sidottu ajantajuihimme. Kuuluisa kohtaus Kurt Vonnegutin romaanissa Slaughterhouse-Five osoittaa, kuinka entropia vaikuttaa ajan suuntaan eri tavoin: toisen maailmansodan aikana haavoittuneista imetään luoteja; tulipalot "kutistuvat" ja ajan käänteinen nuoli tuhoaa sodan epäjärjestyksen ja tuhon.
Entropiaa kuvaava kaavio. Kuva: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commonsin kautta
Ongelmana on, että entropia onPääasiassa tilastollinen käsite, se ei koske yksittäisiä subatomisia hiukkasia. Itse asiassa jokainen hiukkasten vuorovaikutuksen tutkijoiden tähän mennessä havaitsema (mukaan lukien jopa miljardi vuorovaikutusta sekunnissa, joka tapahtuu maailman suurimmassa atomikiihdyttimessä, Large Hadron Colliderissa) ylläpitää CPT-invarianssia. Siten hiukkasia, jotka näyttävät liikkuvan ajassa eteenpäin, ei voida erottaa "takaisin menneisyyteen" matkustavien antihiukkasten peilijärjestelmän hiukkasista. Alkuräjähdyksessä aineesta syntynyt antiaine ei tietenkään itse asiassa liiku ajassa taaksepäin. Se vain käyttäytyy kuin se seuraisi ajan nuolta, tavallisen aineen vastakohtaa.
Miten kokeilut sujuivat?
Kuten tiedät, superpositio, josta kirjoitimmeedellä, on vaikea havaita kokeellisesti. Tämän saavuttamiseksi molemmat fyysikkoryhmät suunnittelivat samanlaisia kokeita fotonin jakamiseksi kahden erillisen polun superpositioon kiteen läpi. Tämän seurauksena fotoni liikkui yhtä polkua pitkin kiteen läpi tavalliseen tapaan, mutta toinen konfiguroitiin muuttamaan fotonin tai sen pisteen polarisaatiota avaruudessa. Tavoitteena on saada se liikkumaan kuin se matkustaisi ajassa taaksepäin.
Fotonit kalsiitin ulkopuolella ja sisällä. Kuva: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
Päällekkäisten fotonien rekombinaation jälkeen ohiFyysikot mittasivat fotonien polarisaation useissa toistuvissa kokeissa käyttämällä niitä toisen kiteen läpi. Tämän seurauksena he havaitsivat kvanttihäiriökuvion, joka koostui vaaleista ja tummista vyöhykkeistä. Se voisi olla olemassa vain, jos fotoni jakautuisi ja liikkuisi kumpaankin suuntaan. Kuten kokeiden kirjoittajat selittävät, tämä prosessien superpositio on enemmän kuin objekti, joka pyörii samanaikaisesti myötä- ja vastapäivään.
Miten tämä auttaa tiedettä?
On huomionarvoista, että fyysikot ovat luoneet ainutlaatuisenfotoni käänteisellä ajalla vain uteliaisuudesta. Mutta myöhemmät kokeet osoittivat, että molemmat ajan suunnat voidaan yhdistää käännettäviin logiikkaportteihin samanaikaisten laskelmien aikaansaamiseksi kumpaankin suuntaan. Tämä tasoittaa tietä kvanttiprosessoreille, joilla on lisääntynyt prosessointiteho.
Tiedemiesten löytö vaikuttaa teorian tulevaisuuteenkvanttigravitaatio, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan (High-Tech kirjoitti aiemmin yksityiskohtaisesti näistä kahdesta perusteoriasta). Sen tulisi sisältää hiukkasia, joilla on sekoitettu aikaorientaatio, kuten uusissa kokeissa. Jos tämä onnistuu, tiedemiehet voivat tutkia joitain maailmankaikkeuden salaperäisimpiä ilmiöitä. Esimerkiksi tutkia mustia aukkoja tai ymmärtää, onko aikamatkailu mahdollista.
Lue lisää:
Vetyenergia, materiaali kylmää säätä vastaan ja biolisäaineet COVID-19:ää vastaan: mitä tiedemiehet luovat pohjoisessa
Muna pudotettiin avaruudesta: katso mitä sille tapahtui
"Walking Dead" oli olemassa miljoonia vuosia sitten: tiedemiehet kertoivat, kuinka ne ilmestyivät
</ p>