광자의 혼합된 시간 방향은 물리학자들이 블랙홀의 특성을 조사하는 데 도움이 될 것입니다.
뭐 했어
과학자들?
특수한 장치를 사용하여 광자를 분할함으로써광학 크리스탈을 통해 두 개의 독립적인 물리학자 그룹이 양자 시간 혁명이라고 부르는 것을 달성했습니다. 이 상태에서 광자는 순방향 및 역방향 시간 상태 모두에 존재합니다. 간단히 말해서, 과학자들은 빛이 시간에 따라 앞뒤로 동시에 움직인다는 것을 입증했습니다.
이 효과는 양자역학의 두 가지 이상한 원리를 결합한 결과 발생합니다.
첫 번째 이상한 점은 양자 중첩입니다.
양자로 알려진 첫 번째 원리중첩은 작은 입자가 관찰될 때까지 동시에 여러 다른 상태 또는 다른 버전으로 존재할 수 있도록 합니다. 이 정말 이상한 개념을 이해하는 데 도움이 되는 간단한 사고 실험이 있습니다. 우리는 유명한 슈뢰딩거의 고양이에 대해 이야기하고 있습니다.
슈뢰딩거의 고양이, 싱가포르 사이언스 센터. 사진: 샤론 한 달린
1935년에 제작자 중 한 사람이 제안한 것입니다.파동함수의 물리적 의미를 논의하는 양자역학 에르빈 슈뢰딩거. 사고 실험에서, 알파 입자의 방사성 붕괴에 의해 방출이 제어되는 독약병이 들어 있는 봉인된 상자에 고양이를 배치했습니다. 방사성 붕괴는 무작위로 발생하는 양자 역학적 과정입니다.
그렇기 때문에 처음에는 무엇인지 아는 것이 불가능합니다.죽은 상태와 살아있는 상태의 중첩 상태에 있는 고양이에게 일어난 일입니다. 어쨌든 관찰자가 프로세스에 참여할 때까지, 즉 상자를 열고 진실을 알아내는 사람입니다.
두 번째 이상한 점은 양자 대칭입니다.
사용된 두 번째 원리과학자 -CPT-불변성. 이는 전하 공액(Charge, C), 패리티(Parity, P) 및 시간(Time, T)의 동시 반전을 포함하는 변환 중 물리적 법칙의 근본적인 대칭입니다.
CPT는 C, P, T의 유일한 조합입니다.근본적인 수준에서 자연의 정확한 대칭입니다. 이 원리에 따르면 입자를 포함하는 모든 시스템은 동일한 물리적 법칙을 따릅니다. 이는 거울처럼 입자 전하, 공간 좌표 및 시간 이동이 반전되는 경우에도 발생합니다.
"시간의 화살"
물리학자들은 이 두 가지 원리를 결합하여 광자를 만들었습니다."시간의 화살"을 따라 동시에 움직이는 것처럼 보였습니다. 이는 시간의 방향과 비가역성을 설명하는 데 사용되는 철학적 용어입니다. 이 개념은 시각적으로 시간축이나 화살표로 표시됩니다. 그것은 과거에서 미래로 직선적이고 앞으로만 움직입니다.
그러나 광자를 이용한 실험은 상황을 변화시킵니다:물리학자들은 시간을 "속이는" 데 성공했습니다. 과학자들은 arXiv 사전 인쇄 서버에 두 가지 실험(첫 번째, 두 번째)의 결과를 게시했습니다. 결과는 아직 동료 검토를 거치지 않았습니다.
일반적으로 그 논리에도 불구하고사람들이 거시적 세계에서 매일 관찰하는 "시간의 화살"이라는 개념은 실제로 물리학의 많은 기본 법칙과 모순된다고 과학자들은 확신합니다. 일반적으로 시간이 대칭이므로 "선호하는" 시간 방향이 없습니다.
엔트로피 문제
열역학 제2법칙에 따르면,계의 엔트로피는 증가해야 한다. "시간의 화살" 역할을 하는 엔트로피는 물리학에서 시간을 특정 방향으로 이동시키는 몇 안 되는 양 중 하나입니다.
예를 들어, 혼란이 증가하는 경향은in the Universe는 재료를 분리하는 것보다 혼합하는 것이 더 쉬운 이유를 설명합니다. 엔트로피가 우리의 시간 감각과 밀접하게 연관되어 있는 것은 성장 장애 때문입니다. Kurt Vonnegut의 소설 Slaughterhouse-5의 유명한 장면은 엔트로피가 어떻게 시간의 방향에 다양한 방식으로 영향을 미치는지 보여줍니다. 제2차 세계 대전 중에는 부상당한 총알이 빨려 나옵니다. 불은 줄어들고 시간의 역방향 화살표는 전쟁의 무질서와 파괴를 파괴합니다.
엔트로피를 설명하는 다이어그램. 삽화: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons를 통해
문제는 엔트로피가주로 통계적 개념으로, 개별 아원자 입자에는 적용되지 않습니다. 실제로 과학자들이 지금까지 관찰한 모든 입자 상호 작용(세계 최대 원자 가속기인 대형 강입자 충돌기 내부에서 발생하는 초당 최대 10억 개의 상호 작용 포함)은 CPT 불변성을 유지합니다. 따라서 시간이 지남에 따라 앞으로 이동하는 것처럼 보이는 입자는 "과거로" 이동하는 반입자 거울 시스템의 입자와 구별할 수 없습니다. 물론 빅뱅에서 물질에서 나온 반물질은 실제로 시간이 거꾸로 가는 것은 아니다. 그것은 단지 시간의 흐름을 따라가는 것처럼 행동할 뿐이며, 이는 일반적인 물질과는 정반대입니다.
실험은 어떻게 진행되었나요?
아시다시피, 우리가 쓴 중첩은위의 경우 실험적으로 관찰하기가 어렵습니다. 이를 달성하기 위해 두 물리학자 팀은 광자를 결정을 통과하는 두 개의 개별 경로의 중첩으로 분할하는 유사한 실험을 설계했습니다. 결과적으로 광자는 평소처럼 결정을 통과하는 한 경로를 따라 이동했지만 다른 경로는 광자의 편광이나 공간 내 지점을 변경하도록 구성되었습니다. 목표는 마치 시간을 거슬러 올라가는 것처럼 움직이게 만드는 것입니다.
방해석 외부와 내부의 광자. 사진: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
중첩된 광자를 재결합한 후 통과물리학자들은 다른 결정을 통해 이를 사용하여 여러 번의 반복 실험을 통해 광자의 편광을 측정했습니다. 그 결과 밝은 띠와 어두운 띠로 구성된 양자 간섭 패턴을 관찰했다. 광자가 분할되어 시간의 양방향으로 이동하는 경우에만 존재할 수 있습니다. 실험 저자가 설명했듯이 이러한 프로세스의 중첩은 시계 방향과 시계 반대 방향으로 동시에 회전하는 물체와 비슷합니다.
이것이 과학에 어떻게 도움이 될까요?
물리학자들이 독특한 것을 창조했다는 것은 주목할 만하다.호기심에 시간이 거꾸로 된 광자. 그러나 후속 실험에서는 두 방향의 시간을 가역 논리 게이트에 연결하여 어느 방향에서든 동시 계산을 제공할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 처리 능력이 향상된 양자 프로세서의 길을 열어줍니다.
과학자들의 발견은 이론의 미래에 영향을 미칠 것입니다일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합할 양자 중력(High-Tech는 이전에 이 두 가지 기본 이론에 대해 자세히 설명했습니다). 새로운 실험에서처럼 혼합된 시간 방향의 입자를 포함해야 합니다. 이것이 성공한다면 과학자들은 우주에서 가장 신비로운 현상 중 일부를 연구할 수 있게 될 것입니다. 예를 들어 블랙홀을 들여다보거나 시간 여행이 가능한지 이해해 보세요.
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