A foton vegyes időbeli irányai segítenek a fizikusoknak a fekete lyukak természetének vizsgálatában.
Mit csináltál
tudósok?
Egy foton elosztásával egy speciálisoptikai kristály, a fizikusok két független csoportja elérte az általuk kvantumidő-forradalomnak nevezett folyamatot. Ebben az állapotban a foton előre és fordított időben egyaránt létezik. Egyszerűen fogalmazva, a tudósok bebizonyították, hogy a fény egyszerre mozog előre és hátra az időben.
A hatás a kvantummechanika két furcsa elvének ötvözésének eredményeként jelentkezik.
Az első furcsaság a kvantum-szuperpozíció
Az első elv, amelyet kvantumnak neveznekA szuperpozíció lehetővé teszi, hogy az apró részecskék egyidejűleg sok különböző állapotban vagy különböző változatokban létezzenek, amíg meg nem figyelik őket. Van egy egyszerű gondolatkísérlet, amely segít megérteni ezt az igazán furcsa koncepciót. A híres Schrödinger macskáról beszélünk.
Schrödinger macskája, Tudományos Központ, Szingapúr. Fotó: Sharon Hahn Darlin
1935-ben az egyik alkotó javasoltakvantummechanika Erwin Schrödinger a hullámfüggvény fizikai jelentésének tárgyalása során. Egy gondolatkísérlet során egy macskát egy lezárt dobozba helyeznek, amelyben egy fiola méreg van, amelynek felszabadulását egy alfa-részecske radioaktív bomlása szabályozza. A radioaktív bomlás egy kvantummechanikai folyamat, amely véletlenszerűen megy végbe.
Ezért eleinte nem lehet tudni, mitEz történt egy macskával, aki halott és élő állapotok szuperpozíciójában van. Mindenesetre addig, amíg egy megfigyelő nem csatlakozik a folyamathoz – olyan személy, aki kinyitja a dobozt és megtudja az igazságot.
A második furcsaság a kvantumszimmetria
A második használt elvtudósok -CPT-invariancia. Ez a fizikai törvények alapvető szimmetriája a töltéskonjugáció (Charge, C), a paritás (Parity, P) és az idő (Time, T) egyidejű megfordításával járó transzformációk során.
A CPT a C, P és T egyetlen kombinációjaa természet pontos szimmetriája alapvető szinten. Ezen elv szerint minden részecskéket tartalmazó rendszer ugyanazoknak a fizikai törvényeknek engedelmeskedik. Ez akkor is megtörténik, ha a részecsketöltések, a térbeli koordináták és az időben való mozgás megfordul, mint egy tükörben.
"Az idő nyila"
E két elv kombinálásával a fizikusok létrehozták a fotont,amely mintha egyszerre mozgott volna az „idő nyila” mentén és vissza. Ez egy filozófiai kifejezés, amelyet az idő irányának és visszafordíthatatlanságának magyarázatára használnak. Ez a fogalom vizuálisan időtengelyként vagy nyílként jelenik meg. Egyenesen és csak előre halad, a múltból a jövőbe.
Egy fotonnal végzett kísérlet azonban megváltoztatja a dolgokat:a fizikusoknak sikerült „becsapniuk” az időt. A tudósok két kísérlet (első, második) eredményét publikálták az arXiv preprint szerveren. Az eredményeket még nem vizsgálták felül.
Általában a logikája ellenéreA tudósok biztosak benne, hogy az „idő nyila” fogalma, amelyet az emberek nap mint nap megfigyelnek a makroszkopikus világban, valójában ellentmond a fizika számos alapvető törvényének. Általában időben szimmetrikusak, ezért nincs „kedvenc” időirányuk.
Entrópia probléma
A termodinamika második főtétele szerint aza rendszer entrópiájának növekednie kell. Az „idő nyilaként” működő entrópia azon kevés mennyiségek egyike a fizikában, amely miatt az idő egy bizonyos irányba mozog.
Például ez a tendencia a növekvő rendetlenség feléin the Universe elmagyarázza, miért egyszerűbb összekeverni az összetevőket, mint szétválasztani őket. Az entrópia a növekvő rendetlenségnek köszönhető, hogy olyan szorosan kötődik időérzékünkhöz. Kurt Vonnegut Vágóhíd-öt című regényének egyik híres jelenete bemutatja, hogy az entrópia különböző módokon befolyásolja az idő irányát: a második világháború idején golyókat szívnak ki a sebesültekből; a tüzek „összezsugorodnak”, az idő fordított nyila pedig elpusztítja a háború rendetlenségét és pusztítását.
Az entrópiát magyarázó diagram. Illusztráció: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons-on keresztül
A probléma az entrópiaElsősorban statisztikai fogalom, nem vonatkozik az egyes szubatomi részecskékre. Valójában minden eddig megfigyelt részecske-kölcsönhatási tudósok (beleértve a világ legnagyobb atomgyorsítójában, a Large Hadron Colliderben előforduló másodpercenként akár egymilliárd kölcsönhatást is) fenntartja a CPT invarianciáját. Így azok a részecskék, amelyek előrehaladni látszanak az időben, megkülönböztethetetlenek az antirészecskék tükörrendszerében lévőktől, amelyek „vissza a múltba” utaznak. Természetesen az antianyag, amely az ősrobbanás során keletkezett az anyagból, valójában nem mozdul vissza az időben. Csak úgy viselkedik, mintha az idő nyilát követné, a hétköznapi anyag ellentéteként.
Hogyan zajlottak a kísérletek?
Mint tudod, a szuperpozíció, amiről írtunkfentebb, kísérletileg nehéz megfigyelni. Ennek elérése érdekében mindkét fizikuscsoport hasonló kísérleteket tervezett, hogy egy fotont egy kristályon áthaladó két külön út szuperpozíciójára hasítson. Ennek eredményeként a foton a szokásos módon az egyik úton haladt át a kristályon, de egy másikat úgy állítottak be, hogy megváltoztassa a foton polarizációját vagy térbeli pontját. A cél az, hogy úgy mozogjon, mintha visszautazna az időben.
Fotonok a kalciton kívül és belül. Fotó: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
A szuperponált fotonok rekombinációja után elmúlikEgy másik kristályon keresztül a fizikusok megmérték a fotonok polarizációját több ismételt kísérletben. Ennek eredményeként egy kvantum interferencia mintát figyeltek meg, amely világos és sötét sávokból állt. Csak akkor létezhetne, ha a foton kettéhasadna és az idő mindkét irányban mozogna. Ahogy a kísérletek szerzői kifejtik, a folyamatok e szuperpozíciója inkább egy objektumhoz hasonlít, amely egyszerre forog az óramutató járásával megegyezően és ellentétes irányban.
Hogyan segíti ez a tudományt?
Figyelemre méltó, hogy a fizikusok egyedülállót alkottakfoton fordított idővel csak kíváncsiságból. De a későbbi kísérletek azt mutatták, hogy az idő mindkét iránya összekapcsolható reverzibilis logikai kapukkal, hogy mindkét irányban egyidejű számításokat lehessen végezni. Ez megnyitja az utat a megnövelt feldolgozási teljesítménnyel rendelkező kvantumprocesszorok számára.
A tudósok felfedezése befolyásolja az elmélet jövőjéta kvantumgravitáció, amely egyesíti majd az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát (a High-Tech korábban részletesen írt erről a két alapvető elméletről). Vegyes időorientációjú részecskéket kell tartalmaznia, mint az új kísérletekben. Ha ez sikerül, akkor a tudósok tanulmányozhatják az Univerzum legtitokzatosabb jelenségeit. Például nézzen be a fekete lyukakba, vagy értse meg, lehetséges-e az időutazás.
Olvass tovább:
Hidrogénenergia, hideg időjárás elleni anyag és bioadalékok a COVID-19 ellen: mit alkotnak a tudósok északon
A tojást leejtették az űrből: nézd, mi történt vele
"A Walking Dead" évmilliókkal ezelőtt létezett: a tudósok elmondták, hogyan jelentek meg
</ p>