Mišrios fotono laiko kryptys padės fizikai ištirti juodųjų skylių prigimtį.
Ką tu padarei
mokslininkai?
Padalijus fotoną naudojant specialųoptinio kristalo, dvi nepriklausomos fizikų grupės pasiekė tai, ką jie vadina kvantine laiko revoliucija. Šioje būsenoje fotonas egzistuoja tiek į priekį, tiek atgal. Paprastais žodžiais tariant, mokslininkai įrodė, kad šviesa tuo pačiu metu juda pirmyn ir atgal.
Poveikis atsiranda sujungus du keistus kvantinės mechanikos principus.
Pirmoji keistenybė yra kvantinė superpozicija
Pirmasis principas, žinomas kaip kvantinisSuperpozicija leidžia mažytėms dalelėms vienu metu egzistuoti daugelyje skirtingų būsenų arba skirtingų savo versijų, kol jos bus pastebėtos. Yra paprastas minties eksperimentas, padedantis suprasti šią tikrai keistą koncepciją. Kalbame apie garsiąją Šriodingerio katę.
Schrödingerio katė, mokslo centras, Singapūras. Nuotrauka: Sharon Hahn Darlin
1935 metais jį pasiūlė vienas iš kūrėjųkvantinė mechanika Erwinas Schrödingeris diskutuodamas apie banginės funkcijos fizikinę prasmę. Minties eksperimento metu katė įdedama į sandarią dėžutę, kurioje yra nuodų buteliukas, kurio išsiskyrimą kontroliuoja alfa dalelės radioaktyvusis skilimas. Radioaktyvusis skilimas yra kvantinis mechaninis procesas, kuris vyksta atsitiktinai.
Štai kodėl iš pradžių neįmanoma žinoti, kasatsitiko katei, kuri yra būsenų superpozicijoje, būdama ir mirusi, ir gyva. Bet kokiu atveju, kol prie proceso neprisijungs stebėtojas – žmogus, kuris atidaro dėžutę ir išsiaiškina tiesą.
Antroji keistenybė yra kvantinė simetrija
Antrasis naudojamas principasmokslininkai -CPT-invariance. Tai yra pagrindinė fizikinių dėsnių simetrija transformacijų metu, kai tuo pačiu metu keičiamas krūvio konjugacija (Charge, C), paritetas (Parity, P) ir laikas (Time, T).
CPT yra vienintelis C, P ir T derinysyra tiksli gamtos simetrija fundamentaliame lygmenyje. Pagal šį principą bet kuri sistema, kurioje yra dalelių, laikysis tų pačių fizikinių dėsnių. Taip atsitiks net jei dalelių krūviai, erdvinės koordinatės ir judėjimas laike bus apverstos, kaip veidrodyje.
"Laiko strėlė"
Sujungę šiuos du principus, fizikai sukūrė fotoną,kuris atrodė vienu metu judantis palei „laiko rodyklę“ ir atgal. Tai filosofinis terminas, naudojamas paaiškinti laiko kryptį ir negrįžtamumą. Ši sąvoka vizualiai parodyta kaip laiko ašis arba rodyklė. Jis juda tiesiai ir tik į priekį, iš praeities į ateitį.
Tačiau eksperimentas su fotonu keičia dalykus:fizikai sugebėjo „apgauti“ laiką. Mokslininkai paskelbė dviejų eksperimentų (pirmojo ir antrojo) rezultatus arXiv išankstinio spausdinimo serveryje. Rezultatai dar nebuvo recenzuoti.
Apskritai, nepaisant jo logikosMokslininkai įsitikinę, kad „laiko rodyklės“, kurią žmonės kasdien stebi makroskopiniame pasaulyje, sąvoka iš tikrųjų prieštarauja daugeliui pagrindinių fizikos dėsnių. Jie paprastai yra simetriški laike ir todėl neturi „mėgstamiausios“ laiko krypties.
Entropijos problema
Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, kadsistemos entropija turi didėti. Veikdama kaip „laiko rodyklė“, entropija yra vienas iš nedaugelio fizikos dydžių, dėl kurių laikas juda tam tikra kryptimi.
Pavyzdžiui, ši tendencija didinti netvarkąVisatoje paaiškina, kodėl sudedamąsias dalis lengviau maišyti nei atskirti. Dėl didėjančios netvarkos entropija taip glaudžiai susijusi su mūsų laiko pojūčiu. Garsioji Kurto Vonneguto romano „Skerdykla-penkta“ scena demonstruoja, kaip entropija skirtingai veikia laiko kryptį: Antrojo pasaulinio karo metu iš sužeistųjų siurbiamos kulkos; gaisrai „susitraukia“, o atvirkštinė laiko strėlė naikina karo netvarką ir niokojimą.
Diagrama, paaiškinanti entropiją. Iliustracija: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, per Wikimedia Commons
Problema ta, kad entropija yraVisų pirma statistinė sąvoka, ji netaikoma atskiroms subatominėms dalelėms. Tiesą sakant, kiekviena dalelių sąveika, kurią iki šiol pastebėjo mokslininkai (įskaitant iki milijardo sąveikų per sekundę, vykstančią didžiausiame pasaulyje atominiame greitintuve, Didžiajame hadronų greitintuve), palaiko CPT nekintamumą. Taigi dalelės, kurios, atrodo, juda laiku į priekį, yra neatskiriamos nuo tų, kurios yra veidrodinėje antidalelių sistemoje, keliaujančios „grįžta į praeitį“. Žinoma, antimedžiaga, atsiradusi iš materijos per Didįjį sprogimą, iš tikrųjų nejuda laiku atgal. Jis tiesiog elgiasi taip, tarsi sektų laiko strėlę, priešingai įprastai materijai.
Kaip sekėsi eksperimentai?
Kaip žinote, superpozicija, apie kurią rašėmeaukščiau, sunku stebėti eksperimentiškai. Kad tai pasiektų, abi fizikų komandos sukūrė panašius eksperimentus, siekdamos padalyti fotoną į dviejų skirtingų takų per kristalą superpoziciją. Dėl to fotonas judėjo vienu keliu per kristalą, kaip įprasta, tačiau kitas buvo sukonfigūruotas pakeisti fotono poliarizaciją arba jo tašką erdvėje. Tikslas yra priversti jį judėti taip, tarsi jis keliautų laiku.
Fotonai kalcito išorėje ir viduje. Nuotrauka: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Rekombinavus ant viršaus esančius fotonus, praeinaNaudodami juos per kitą kristalą, fizikai išmatavo fotonų poliarizaciją keliais kartotiniais eksperimentais. Dėl to jie pastebėjo kvantinių trukdžių modelį, kurį sudarė šviesios ir tamsios juostos. Jis galėtų egzistuoti tik tuo atveju, jei fotonas suskiltų ir judėtų abiem laiko kryptimis. Kaip aiškina eksperimentų autoriai, ši procesų superpozicija labiau primena objektą, kuris vienu metu sukasi pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę.
Kaip tai padės mokslui?
Pastebėtina, kad fizikai sukūrė unikalųfotonas su apverstu laiku tik iš smalsumo. Tačiau vėlesni eksperimentai parodė, kad abi laiko kryptys gali būti prijungtos prie grįžtamųjų loginių vartų, kad būtų galima vienu metu atlikti skaičiavimus bet kuria kryptimi. Tai atveria kelią kvantiniams procesoriams su didesne apdorojimo galia.
Mokslininkų atradimas turės įtakos teorijos ateičiaikvantinė gravitacija, kuri sujungs bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką (High-Tech anksčiau išsamiai rašė apie šias dvi pagrindines teorijas). Jame turėtų būti dalelių su mišria laiko orientacija, kaip ir naujuose eksperimentuose. Jei tai pavyks, mokslininkai galės ištirti kai kuriuos paslaptingiausius Visatos reiškinius. Pavyzdžiui, pažiūrėkite į juodąsias skyles arba supraskite, ar įmanoma keliauti laiku.
Skaityti daugiau:
Vandenilio energija, medžiaga nuo šalto oro ir biologiniai priedai nuo COVID-19: ką mokslininkai kuria šiaurėje
Kiaušinis buvo numestas iš kosmoso: pažiūrėkite, kas jam nutiko
„Vaikštantys numirėliai“ egzistavo prieš milijonus metų: mokslininkai papasakojo, kaip jie atsirado
</ p>