Le direzioni temporali miste del fotone aiuteranno i fisici a studiare la natura dei buchi neri.
Che cosa hai fatto
scienziati?
Dividendo un fotone utilizzando uno specialecristallo ottico, due gruppi indipendenti di fisici hanno realizzato quella che chiamano una rivoluzione del tempo quantistico. In questo stato, il fotone esiste sia nello stato temporale diretto che in quello inverso. In termini semplici, gli scienziati hanno dimostrato che la luce si muove simultaneamente avanti e indietro nel tempo.
L'effetto nasce dalla combinazione di due strani principi della meccanica quantistica.
La prima stranezza è la sovrapposizione quantistica
Il primo principio, noto come quantisticola sovrapposizione, consente a minuscole particelle di esistere in molti stati diversi o versioni diverse di se stesse simultaneamente finché non vengono osservate. C'è un semplice esperimento mentale che aiuta a comprendere questo concetto davvero strano. Stiamo parlando del famoso gatto di Schrödinger.
Gatto di Schrödinger, Science Centre, Singapore. Foto: Sharon Hahn Darlin
Nel 1935 fu proposto da uno dei creatorimeccanica quantistica Erwin Schrödinger durante una discussione sul significato fisico della funzione d'onda. In un esperimento mentale, un gatto viene posto in una scatola sigillata contenente una fiala di veleno, il cui rilascio è controllato dal decadimento radioattivo di una particella alfa. Il decadimento radioattivo è un processo quantomeccanico che avviene in modo casuale.
Ecco perché inizialmente è impossibile sapere cosaè successo a un gatto che si trova in una sovrapposizione di stati, essendo sia vivo che morto. In ogni caso, finché un osservatore non si unisce al processo, una persona che apre la scatola e scopre la verità.
La seconda stranezza è la simmetria quantistica
Il secondo principio utilizzatoscienziati: invarianza CPT. Questa è la simmetria fondamentale delle leggi fisiche durante le trasformazioni che comportano l'inversione simultanea della coniugazione di carica (Carica, C), parità (Parità, P) e tempo (Tempo, T).
CPT è l'unica combinazione di C, P e T cheè l’esatta simmetria della natura a livello fondamentale. Secondo questo principio, qualsiasi sistema contenente particelle obbedirà alle stesse leggi fisiche. Ciò avverrà anche se si invertono le cariche delle particelle, le coordinate spaziali e il movimento nel tempo, come in uno specchio.
"Freccia del tempo"
Combinando questi due principi, i fisici hanno creato il fotone,che sembrava muoversi simultaneamente lungo la “freccia del tempo” e ritorno. Questo è un termine filosofico utilizzato per spiegare la direzione e l'irreversibilità del tempo. Questo concetto è mostrato visivamente come un asse temporale o una freccia. Si muove dritto e solo in avanti, dal passato al futuro.
Tuttavia, un esperimento con un fotone cambia le cose:i fisici sono riusciti a “ingannare” il tempo. Gli scienziati hanno pubblicato i risultati di due esperimenti (primo, secondo) sul server di prestampa arXiv. I risultati non sono stati ancora sottoposti a peer review.
In generale, nonostante la sua logicaIl concetto della “freccia del tempo”, che le persone osservano ogni giorno nel mondo macroscopico, in realtà contraddice molte leggi fondamentali della fisica, ne sono sicuri gli scienziati. Sono, in generale, simmetrici nel tempo e quindi non hanno una direzione del tempo “preferita”.
Problema dell'entropia
Secondo la seconda legge della termodinamica, cioèl’entropia del sistema deve aumentare. Agendo come la “freccia del tempo”, l’entropia è una delle poche quantità in fisica che fa sì che il tempo si muova in una certa direzione.
Ad esempio, questa tendenza verso un aumento del disordinenell'Universo spiega perché è più facile mescolare gli ingredienti che separarli. È a causa del crescente disordine che l’entropia è così strettamente legata al nostro senso del tempo. Una famosa scena del romanzo Mattatoio-Five di Kurt Vonnegut dimostra come l'entropia influenzi la direzione del tempo in diversi modi: durante la seconda guerra mondiale, i proiettili vengono risucchiati dai feriti; i fuochi “si restringono” e la freccia invertita del tempo distrugge il disordine e la devastazione della guerra.
Diagramma che spiega l'entropia. Illustrazione: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, tramite Wikimedia Commons
Il problema è che l’entropia lo èÈ principalmente un concetto statistico, non si applica alle singole particelle subatomiche. In effetti, ogni interazione delle particelle che gli scienziati hanno osservato finora (comprese fino a un miliardo di interazioni al secondo che si verificano all'interno del più grande acceleratore atomico del mondo, il Large Hadron Collider) mantiene l'invarianza CPT. Pertanto, le particelle che sembrano avanzare nel tempo sono indistinguibili da quelle del sistema specchio delle antiparticelle che viaggiano “indietro nel passato”. Naturalmente, l'antimateria emersa dalla materia nel Big Bang in realtà non si muove indietro nel tempo. Si comporta semplicemente come se seguisse la freccia del tempo, l'opposto della materia ordinaria.
Come sono andati gli esperimenti?
Come sai, la sovrapposizione di cui abbiamo scrittosopra, è difficile da osservare sperimentalmente. Per raggiungere questo obiettivo, entrambi i team di fisici hanno progettato esperimenti simili per dividere un fotone in una sovrapposizione di due percorsi separati attraverso un cristallo. Di conseguenza, il fotone si è spostato lungo un percorso attraverso il cristallo come al solito, ma un altro è stato configurato per modificare la polarizzazione del fotone o il suo punto nello spazio. L'obiettivo è farlo muovere come se viaggiasse indietro nel tempo.
Fotoni all'esterno e all'interno della calcite. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Dopo la ricombinazione dei fotoni sovrapposti, passaggioUsandoli attraverso un altro cristallo, i fisici hanno misurato la polarizzazione dei fotoni in diversi esperimenti ripetuti. Di conseguenza, hanno osservato uno schema di interferenza quantistica costituito da bande chiare e scure. Potrebbe esistere solo se il fotone si dividesse e si muovesse in entrambe le direzioni del tempo. Come spiegano gli autori degli esperimenti, questa sovrapposizione di processi è più simile a un oggetto che ruota contemporaneamente in senso orario e antiorario.
In che modo questo aiuterà la scienza?
È interessante notare che i fisici hanno creato un unicofotone con tempo invertito solo per curiosità. Ma esperimenti successivi hanno dimostrato che entrambe le direzioni del tempo possono essere collegate a porte logiche reversibili per fornire calcoli simultanei in entrambe le direzioni. Ciò apre la strada a processori quantistici con maggiore potenza di elaborazione.
La scoperta degli scienziati influenzerà il futuro della teoriagravità quantistica, che unirà la teoria generale della relatività e la meccanica quantistica (High-Tech ha già scritto in dettaglio su queste due teorie fondamentali). Dovrebbe includere particelle con orientamento temporale misto, come nei nuovi esperimenti. Se ciò avrà successo, gli scienziati saranno in grado di studiare alcuni dei fenomeni più misteriosi dell'Universo. Ad esempio, osserva i buchi neri o scopri se è possibile viaggiare nel tempo.
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