光子の混合された時間方向は、物理学者がブラック ホールの性質を調査するのに役立ちます。
あなたは何をしましたか
科学者？
特殊な方法で光子を分割することで、光学結晶に関しては、物理学者の 2 つの独立したグループが量子時間革命と呼ぶものを達成しました。この状態では、光子は順方向と逆方向の両方の時間状態に存在します。簡単に言うと、科学者は光が時間の経過とともに同時に前後に移動することを証明しました。
この効果は、量子力学の 2 つの奇妙な原理を組み合わせた結果として生じます。
最初の奇妙さは量子重ね合わせです
量子として知られる第一原理重ね合わせにより、小さな粒子は、観察されるまで、多くの異なる状態または異なるバージョンで同時に存在することができます。この非常に奇妙な概念を理解するのに役立つ簡単な思考実験があります。有名なシュレーディンガーの猫について話しています。
シュレディンガーの猫、サイエンス センター、シンガポール。写真：シャロン・ハーン・ダーリン
1935年に、創造者の一人によって提案されました。波動関数の物理的意味について議論する量子力学のエルヴィン・シュレーディンガー。思考実験では、毒の入った小瓶が入った密封された箱に猫が入れられ、毒の放出はアルファ粒子の放射性崩壊によって制御されます。放射性崩壊は、ランダムに発生する量子力学的プロセスです。
そのため、最初は何が起こっているのかを知ることは不可能です死んだ状態と生きた状態の両方が重なった状態にある猫に起こった。いずれにせよ、観察者がプロセスに参加するまで、つまり箱を開けて真実を知る人がいます。
2番目の奇妙な点は量子対称性です
使用された 2 番目の原則科学者 - CPT 不変性。これは、電荷共役 (Charge、C)、パリティ (Parity、P)、および時間 (Time、T) の同時反転を伴う変換中の物理法則の基本的な対称性です。
CPT は、C、P、および T の唯一の組み合わせです。それは基本的なレベルでの自然の正確な対称性です。この原理によれば、粒子を含む系はすべて同じ物理法則に従います。これは、粒子の電荷、空間座標、時間の動きが鏡のように反転している場合でも起こります。
「時の矢」
これら 2 つの原理を組み合わせることで、物理学者は光子を作成しました。それは同時に「時間の矢」に沿って進んだり、戻ったりしているように見えました。これは時間の方向性と不可逆性を説明するために使用される哲学用語です。この概念は時間軸または矢印として視覚的に示されます。過去から未来へ、真っ直ぐに、そして前だけを向いて進んでいきます。
ただし、フォトンを使った実験では状況が変わります。物理学者は時間を「欺く」ことに成功しました。科学者たちは、arXiv プレプリント サーバー上で 2 つの実験 (1 回目、2 回目) の結果を公開しました。結果はまだ査読されていません。
一般的に、その論理にもかかわらず、巨視的な世界で人々が毎日観察している「時間の矢」の概念は、実際には多くの基本的な物理法則に矛盾している、と科学者たちは確信しています。一般に、それらは時間的に対称であるため、「好みの」時間方向はありません。
エントロピー問題
熱力学の第二法則によれば、システムのエントロピーは増加する必要があります。 「時間の矢」として機能するエントロピーは、時間を特定の方向に動かす物理学における数少ない量の 1 つです。
たとえば、乱雑さが増加するこの傾向in Universe は、成分を分離するよりも混合する方が簡単である理由を説明しています。エントロピーが私たちの時間感覚と密接に結びついているのは、成長の無秩序のためです。カート・ヴォネガットの小説『スローターハウス・ファイブ』の有名なシーンは、エントロピーがさまざまな方法で時間の方向にどのように影響するかを示しています。第二次世界大戦中は、銃弾が負傷者から吸い出されます。火災は「縮小」し、時間の逆転の矢が戦争の無秩序と惨状を破壊します。
エントロピーを説明する図。イラスト: BlyumJ、CC BY-SA 4.0、ウィキメディア・コモンズ経由
問題は、エントロピーがこれは主に統計的な概念であり、個々の素粒子には適用されません。実際、科学者がこれまでに観察したすべての粒子相互作用（世界最大の原子加速器である大型ハドロン衝突型加速器内で起こる毎秒最大 10 億回の相互作用を含む）は、CPT の不変性を維持しています。したがって、時間的に前進しているように見える粒子は、「過去に戻って」移動する反粒子のミラーシステム内の粒子と区別できません。もちろん、ビッグバンで物質から出現した反物質は、実際には時間を逆行するわけではありません。それはあたかも時間の矢をたどるかのように振る舞うだけで、通常の物質とは逆です。
実験はどうでしたか？
ご存知のとおり、私たちが書いた重ね合わせは上記は実験的に観察することが困難です。これを達成するために、物理学者の両チームは、光子を結晶を通る 2 つの別々の経路の重ね合わせに分割する同様の実験を設計しました。その結果、光子は通常どおり結晶を通るある経路に沿って移動しましたが、別の経路は光子の偏光または空間内のその点を変更するように構成されていました。目標は、まるでタイムスリップしたかのように動かすことです。
方解石の外側と内側の光子。写真: Jan Pawelka、CC BY-SA 4.0
重ね合わされた光子の再結合後、物理学者は、別の結晶を通して光子の偏光を使用して、いくつかの実験を繰り返して光子の偏光を測定しました。その結果、明るいバンドと暗いバンドからなる量子干渉パターンが観察されました。それは、光子が分裂して時間の両方向に移動した場合にのみ存在できます。実験の著者らが説明しているように、このプロセスの重ね合わせは、時計回りと反時計回りに同時に回転する物体に似ています。
これは科学にどのように役立ちますか？
物理学者がユニークな構造を作成したことは注目に値します。単なる好奇心から、時間が反転した光子。しかし、その後の実験では、時間の両方向を可逆論理ゲートに接続して、どちらの方向でも同時に計算できることが示されました。これにより、処理能力が向上した量子プロセッサへの道が開かれます。
科学者の発見は理論の将来に影響を与える一般相対性理論と量子力学を統合する量子重力 (High-Tech は以前、これら 2 つの基本理論について詳しく書きました)。新しい実験のように、時間方向が混合された粒子が含まれるはずです。これが成功すれば、科学者は宇宙で最も神秘的な現象のいくつかを研究できるようになるでしょう。たとえば、ブラックホールを調べたり、タイムトラベルが可能かどうかを理解したりできます。
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