הכיוונים הזמניים המעורבים של הפוטון יעזרו לפיסיקאים לחקור את טבעם של חורים שחורים.
מה עשית
מדענים?
על ידי חלוקת פוטון באמצעות מיוחדגביש אופטי, שתי קבוצות עצמאיות של פיזיקאים השיגו את מה שהם מכנים מהפכת זמן קוונטית. במצב זה, הפוטון קיים הן במצבי זמן קדימה והן במצבי זמן הפוך. במילים פשוטות, מדענים הוכיחו שאור נע בו זמנית קדימה ואחורה בזמן.
ההשפעה נוצרת כתוצאה משילוב שני עקרונות מוזרים של מכניקת הקוונטים.
המוזרות הראשונה היא סופרפוזיציה קוונטית
העיקרון הראשון, המכונה קוונטיסופרפוזיציה, מאפשרת לחלקיקים זעירים להתקיים במצבים רבים ושונים או בגרסאות שונות של עצמם בו זמנית עד שהם נצפים. יש ניסוי מחשבתי פשוט שעוזר להבין את המושג המוזר הזה באמת. אנחנו מדברים על החתול המפורסם של שרדינגר.
החתול של שרדינגר, מרכז המדע, סינגפור. צילום: שרון האן דרלין
בשנת 1935, הוא הוצע על ידי אחד היוצריםמכניקת הקוונטים ארווין שרדינגר במהלך דיון במשמעות הפיזיקלית של פונקציית הגל. בניסוי מחשבתי שמים חתול בקופסה אטומה המכילה בקבוקון רעל, ששחרורו נשלט על ידי ריקבון רדיואקטיבי של חלקיק אלפא. ריקבון רדיואקטיבי הוא תהליך מכני קוונטי המתרחש באופן אקראי.
לכן בהתחלה אי אפשר לדעת מהקרה לחתול שנמצא בסופרפוזיציה של מדינות, בהיותו גם מת וגם חי. בכל מקרה, עד שמצטרף מתבונן לתהליך - אדם שפותח את הקופסה ומגלה את האמת.
המוזרות השנייה היא סימטריה קוונטית
העיקרון השני בו נעשה שימושמדענים --CPT-invariance. זוהי הסימטריה הבסיסית של חוקים פיזיקליים במהלך טרנספורמציות הכוללות היפוך סימולטני של צימוד מטען (Charge, C), זוגיות (Parity, P) וזמן (Time, T).
CPT הוא השילוב היחיד של C, P ו-Tהיא הסימטריה המדויקת של הטבע ברמה בסיסית. לפי עיקרון זה, כל מערכת המכילה חלקיקים תציית לאותם חוקים פיזיקליים. זה יקרה גם אם מטענים החלקיקים, הקואורדינטות המרחביות והתנועה בזמן יהיו הפוכים, כמו במראה.
"חץ הזמן"
על ידי שילוב שני העקרונות הללו, הפיזיקאים יצרו את הפוטון,שנראה כי נע בו זמנית לאורך "חץ הזמן" ובחזרה. זהו מונח פילוסופי המשמש להסבר הכיוון והאי-הפיך של הזמן. מושג זה מוצג חזותית כציר זמן או חץ. הוא נע ישר ורק קדימה, מהעבר לעתיד.
עם זאת, ניסוי עם פוטון משנה דברים:פיזיקאים הצליחו "להטעות" את הזמן. מדענים פרסמו את התוצאות של שני ניסויים (ראשון, שני) בשרת arXiv preprint. התוצאות טרם עברו ביקורת עמיתים.
בכלל, למרות ההיגיון שלוהרעיון של "חץ הזמן", שאנשים צופים בו מדי יום בעולם המקרוסקופי, סותר למעשה חוקים בסיסיים רבים של הפיזיקה, מדענים בטוחים. הם, באופן כללי, סימטריים בזמן ולכן אין להם כיוון זמן "מועדף".
בעיית אנטרופיה
לפי החוק השני של התרמודינמיקה, זההאנטרופיה של המערכת חייבת לגדול. פועלת כ"חץ הזמן", האנטרופיה היא אחת הגדלים הבודדים בפיזיקה שגורמת לזמן לנוע בכיוון מסוים.
לדוגמה, מגמה זו לקראת הגברת העומסביקום מסביר מדוע קל יותר לערבב מרכיבים מאשר להפריד ביניהם. בגלל הפרעות גוברת והולכת, האנטרופיה קשורה כל כך לתחושת הזמן שלנו. סצנה מפורסמת ברומן בית המטבחיים-חמש של קורט וונגוט מדגימה כיצד האנטרופיה משפיעה על כיוון הזמן בדרכים שונות: במהלך מלחמת העולם השנייה, כדורים נשאבים מתוך הפצועים; השריפות "מתכווצות" וחץ הזמן ההפוך הורס את אי סדר המלחמה וההרס.
תרשים המסביר אנטרופיה. איור: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, באמצעות Wikimedia Commons
הבעיה היא שאנטרופיה כןמושג סטטיסטי בעיקרו, אינו חל על חלקיקים תת-אטומיים בודדים. למעשה, כל מדענים של אינטראקציה בין חלקיקים שצפו עד כה (כולל עד מיליארד אינטראקציות בשנייה המתרחשות בתוך המאיץ האטומי הגדול בעולם, מאיץ ההדרונים הגדול) שומר על אי-ווריאציות CPT. לפיכך, חלקיקים שנראים כאילו נעים קדימה בזמן אינם ניתנים להבדלה מאלה במערכת המראה של אנטי-חלקיקים הנעים "חזרה אל העבר". כמובן, האנטי-חומר שצמח מהחומר במפץ הגדול לא ממש זז אחורה בזמן. הוא פשוט מתנהג כאילו הוא עוקב אחר חץ הזמן, ההפך מחומר רגיל.
איך התנהלו הניסויים?
כידוע, הסופרפוזיציה עליה כתבנולעיל, קשה לצפייה בניסוי. כדי להשיג זאת, שני צוותי הפיזיקאים תכננו ניסויים דומים כדי לפצל פוטון לסופרפוזיציה של שני נתיבים נפרדים דרך גביש. כתוצאה מכך, הפוטון נע לאורך נתיב אחד דרך הגביש כרגיל, אך אחר הוגדר לשנות את הקיטוב של הפוטון או את הנקודה שלו במרחב. המטרה היא לגרום לו לזוז כאילו הוא נוסע אחורה בזמן.
פוטונים בחוץ ובפנים קלציט. צילום: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
לאחר ריקומבינציה של פוטונים משולבים, עוברבעזרתם באמצעות גביש אחר, מדדו הפיזיקאים את הקיטוב של הפוטונים במספר ניסויים חוזרים. כתוצאה מכך, הם צפו בתבנית התערבות קוונטית שהורכבה מרצועות בהירות וכהות. זה יכול להתקיים רק אם הפוטון יתפצל ונע בשני כיווני הזמן. כפי שמסבירים מחברי הניסויים, סופרפוזיציה זו של תהליכים דומה יותר לאובייקט שמסתובב בו-זמנית עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון.
איך זה יעזור למדע?
ראוי לציין כי פיזיקאים יצרו ייחודיפוטון עם זמן הפוך רק מתוך סקרנות. אבל ניסויים שלאחר מכן הראו שניתן לחבר את שני כיווני הזמן לשערים לוגיים הפיכים כדי לספק חישובים בו זמנית בכל כיוון. זה סולל את הדרך למעבדים קוונטיים עם כוח עיבוד מוגבר.
הגילוי של מדענים ישפיע על עתיד התיאוריהכבידה קוונטית, שתאחד את תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים (היי-טק כתב בעבר בהרחבה על שתי התיאוריות היסודיות הללו). זה צריך לכלול חלקיקים עם אוריינטציה של זמן מעורב, כמו בניסויים החדשים. אם זה יצליח, אז מדענים יוכלו לחקור כמה מהתופעות המסתוריות ביותר ביקום. לדוגמה, הסתכלו לתוך חורים שחורים או הבינו האם מסע בזמן אפשרי.
קרא עוד:
אנרגיית מימן, חומר נגד מזג אוויר קר ותוספים ביולוגיים נגד COVID-19: מה שמדענים יוצרים בצפון
הביצה נשמטה מהחלל: תראה מה קרה לה
"המתים המהלכים" היה קיים לפני מיליוני שנים: מדענים סיפרו כיצד הם הופיעו
</ p>