Mješoviti vremenski smjerovi fotona pomoći će fizičarima u istraživanju prirode crnih rupa.
Što si učinio
znanstvenici?
Dijeljenjem fotona pomoću posebnogoptički kristal, dvije neovisne skupine fizičara postigle su ono što nazivaju kvantnom vremenskom revolucijom. U ovom stanju, foton postoji iu stanju naprijed i unatrag. Jednostavnim riječima, znanstvenici su dokazali da se svjetlost istovremeno kreće naprijed i nazad kroz vrijeme.
Učinak nastaje kao rezultat kombiniranja dva čudna principa kvantne mehanike.
Prva neobičnost je kvantna superpozicija
Prvi princip, poznat kao kvantnisuperpozicija, omogućuje sićušnim česticama postojanje u mnogo različitih stanja ili različitih verzija samih sebe istovremeno dok se ne promatraju. Postoji jednostavan misaoni eksperiment koji pomaže razumjeti ovaj doista čudan koncept. Riječ je o čuvenoj Schrödingerovoj mački.
Schrödingerova mačka, Znanstveni centar, Singapur. Fotografija: Sharon Hahn Darlin
Godine 1935. predložio ga je jedan od kreatorakvantna mehanika Erwin Schrödinger tijekom rasprave o fizičkom značenju valne funkcije. U misaonom eksperimentu, mačka je stavljena u zapečaćenu kutiju koja sadrži bočicu otrova, čije je oslobađanje kontrolirano radioaktivnim raspadom alfa čestice. Radioaktivni raspad je kvantno mehanički proces koji se događa nasumično.
Zato je u početku nemoguće znati štodogodilo se mački koja je u superpoziciji stanja, i mrtva i živa. U svakom slučaju, dok se u proces ne uključi promatrač – osoba koja otvori kutiju i sazna istinu.
Druga neobičnost je kvantna simetrija
Drugi princip koji je korištenznanstvenici —CPT-invarijantnost. Ovo je temeljna simetrija fizikalnih zakona tijekom transformacija koje uključuju istodobnu inverziju konjugacije naboja (Charge, C), pariteta (Parity, P) i vremena (Time, T).
CPT je jedina kombinacija C, P i T kojaje točna simetrija prirode na temeljnoj razini. Prema ovom principu, svaki sustav koji sadrži čestice pokoravat će se istim fizikalnim zakonima. To će se dogoditi čak i ako su naboji čestica, prostorne koordinate i kretanje u vremenu obrnuti, kao u zrcalu.
"Strijela vremena"
Kombinacijom ova dva principa, fizičari su stvorili foton,koja kao da se istodobno kretala duž "strelice vremena" i natrag. Ovo je filozofski izraz koji se koristi za objašnjenje smjera i nepovratnosti vremena. Ovaj koncept je vizualno prikazan kao vremenska os ili strelica. Kreće se ravno i samo naprijed, iz prošlosti u budućnost.
Međutim, eksperiment s fotonom mijenja stvari:fizičari su uspjeli "prevariti" vrijeme. Znanstvenici su objavili rezultate dva eksperimenta (prvi, drugi) na serveru za preprint arXiv. Rezultati još nisu recenzirani.
Općenito, unatoč svojoj logiciKoncept “strelice vremena”, koju ljudi svakodnevno promatraju u makroskopskom svijetu, zapravo je u suprotnosti s mnogim temeljnim zakonima fizike, sigurni su znanstvenici. Oni su, općenito, vremenski simetrični i stoga nemaju “omiljeni” smjer vremena.
Problem entropije
Prema drugom zakonu termodinamike, toentropija sustava mora rasti. Djelujući kao "strelica vremena", entropija je jedna od rijetkih veličina u fizici koja uzrokuje kretanje vremena u određenom smjeru.
Na primjer, ovaj trend sve većeg neredau svemiru objašnjava zašto je lakše miješati sastojke nego ih razdvajati. Upravo zbog rastućeg nereda entropija je tako blisko povezana s našim osjećajem vremena. Poznata scena u romanu Kurta Vonneguta Klaonica-5 pokazuje kako entropija utječe na smjer vremena na različite načine: tijekom Drugog svjetskog rata meci se isisavaju iz ranjenika; požari se “smanju” i okrenuta strijela vremena uništava nered i razaranje rata.
Dijagram koji objašnjava entropiju. Ilustracija: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, putem Wikimedia Commons
Problem je u tome što je entropijaPrimarno statistički koncept, ne odnosi se na pojedinačne subatomske čestice. Zapravo, svaka interakcija čestica koju su znanstvenici do sada uočili (uključujući i do milijardu interakcija u sekundi koje se događaju unutar najvećeg atomskog akceleratora na svijetu, Large Hadron Collider) održava nepromjenjivost CPT-a. Stoga se čestice za koje se čini da se kreću naprijed u vremenu ne mogu razlikovati od onih u sustavu zrcala antičestica koje putuju "natrag u prošlost". Naravno, antimaterija koja je nastala iz materije u Velikom prasku zapravo se ne kreće unatrag kroz vrijeme. Samo se ponaša kao da slijedi strelicu vremena, suprotno od obične materije.
Kako su tekli pokusi?
Kao što znate, superpozicija o kojoj smo pisaligore, teško je promatrati eksperimentalno. Kako bi to postigli, oba tima fizičara osmislila su slične eksperimente kako bi podijelili foton u superpoziciju dviju odvojenih putanja kroz kristal. Kao rezultat toga, foton se kretao jednom putanjom kroz kristal kao i obično, ali je druga bila konfigurirana da promijeni polarizaciju fotona ili njegovu točku u prostoru. Cilj je natjerati ga da se kreće kao da putuje kroz vrijeme.
Fotoni izvan i unutar kalcita. Fotografija: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
Nakon rekombinacije superponiranih fotona, prolazKoristeći ih kroz drugi kristal, fizičari su mjerili polarizaciju fotona u nekoliko ponovljenih eksperimenata. Kao rezultat toga, promatrali su kvantni interferencijski uzorak koji se sastojao od svijetlih i tamnih traka. Mogao bi postojati samo ako bi se foton razdvojio i kretao u oba smjera vremena. Kako objašnjavaju autori eksperimenata, ova superpozicija procesa više nalikuje objektu koji se istovremeno okreće u smjeru kazaljke na satu i suprotno od njega.
Kako će to pomoći znanosti?
Važno je napomenuti da su fizičari stvorili jedinstvenifoton s invertiranim vremenom samo iz radoznalosti. Ali kasniji eksperimenti su pokazali da se oba smjera vremena mogu povezati s reverzibilnim logičkim vratima kako bi se omogućila istovremena izračunavanja u oba smjera. To otvara put kvantnim procesorima s povećanom procesorskom snagom.
Otkriće znanstvenika utjecat će na budućnost teorijekvantne gravitacije, koja će objediniti opću teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku (High-Tech je ranije detaljno pisao o ove dvije temeljne teorije). Trebao bi uključivati čestice s mješovitom vremenskom orijentacijom, kao u novim eksperimentima. Ako to uspije, znanstvenici će moći proučavati neke od najmisterioznijih pojava u svemiru. Na primjer, pogledajte crne rupe ili shvatite je li putovanje kroz vrijeme moguće.
Čitaj više:
Energija vodika, materijal protiv hladnoće i bioaditivi protiv COVID-19: što znanstvenici stvaraju na sjeveru
Jaje je ispušteno iz svemira: pogledajte što mu se dogodilo
"The Walking Dead" postojali su prije milijune godina: znanstvenici su ispričali kako su se pojavili
</ p>