Fotona jauktie laika virzieni palīdzēs fiziķiem izpētīt melno caurumu būtību.
Ko tu izdarīji
zinātnieki?
Sadalot fotonu, izmantojot īpašuoptiskais kristāls, divas neatkarīgas fiziķu grupas ir sasniegušas to, ko viņi sauc par kvantu laika revolūciju. Šajā stāvoklī fotons pastāv gan tiešā, gan apgrieztā laika stāvoklī. Vienkāršiem vārdiem sakot, zinātnieki ir pierādījuši, ka gaisma vienlaikus virzās uz priekšu un atpakaļ laikā.
Efekts rodas, apvienojot divus dīvainus kvantu mehānikas principus.
Pirmā dīvainība ir kvantu superpozīcija
Pirmais princips, kas pazīstams kā kvantssuperpozīcija, ļauj sīkām daļiņām vienlaikus pastāvēt daudzos dažādos stāvokļos vai dažādās versijās, līdz tās tiek novērotas. Ir vienkāršs domu eksperiments, kas palīdz izprast šo patiešām dīvaino jēdzienu. Mēs runājam par slaveno Šrēdingera kaķi.
Šrēdingera kaķis, Zinātnes centrs, Singapūra. Foto: Sharon Hahn Darlin
1935. gadā to ierosināja viens no radītājiemkvantu mehānika Ervins Šrēdingers diskusijas laikā par viļņu funkcijas fizisko nozīmi. Domu eksperimentā kaķis tiek ievietots noslēgtā kastē, kurā atrodas indes flakons, kura izdalīšanos kontrolē alfa daļiņas radioaktīvā sabrukšana. Radioaktīvā sabrukšana ir kvantu mehānisks process, kas notiek nejauši.
Tāpēc sākotnēji nav iespējams zināt, kasnotika ar kaķi, kurš atrodas stāvokļu superpozīcijā, būdams gan miris, gan dzīvs. Jebkurā gadījumā, līdz procesam pievienojas novērotājs – cilvēks, kurš atver kasti un uzzina patiesību.
Otrā dīvainība ir kvantu simetrija
Otrs princips, kas tika izmantotszinātnieki —CPT-invariance. Šī ir fizikālo likumu fundamentālā simetrija transformāciju laikā, kas ietver vienlaicīgu lādiņa konjugācijas (Charge, C), paritātes (Parity, P) un laika (Time, T) inversiju.
CPT ir vienīgā C, P un T kombinācijair precīza dabas simetrija fundamentālā līmenī. Saskaņā ar šo principu jebkura sistēma, kas satur daļiņas, pakļausies tiem pašiem fiziskajiem likumiem. Tas notiks pat tad, ja daļiņu lādiņi, telpiskās koordinātas un kustība laikā ir apgriezti kā spogulī.
"Laika bulta"
Apvienojot šos divus principus, fiziķi radīja fotonu,kas, šķiet, vienlaikus virzījās pa “laika bultiņu” un atpakaļ. Šis ir filozofisks termins, ko izmanto, lai izskaidrotu laika virzienu un neatgriezeniskumu. Šis jēdziens ir vizuāli parādīts kā laika ass vai bultiņa. Tas virzās taisni un tikai uz priekšu, no pagātnes uz nākotni.
Tomēr eksperiments ar fotonu maina lietas:fiziķiem izdevās “maldināt” laiku. Zinātnieki publicēja divu eksperimentu (pirmā, otrā) rezultātus arXiv priekšdrukas serverī. Rezultāti vēl nav salīdzinoši pārskatīti.
Kopumā, neskatoties uz tās loģikuZinātnieki ir pārliecināti, ka jēdziens “Laika bulta”, ko cilvēki katru dienu novēro makroskopiskajā pasaulē, patiesībā ir pretrunā daudziem fizikas pamatlikumiem. Tie kopumā ir simetriski laikā, un tāpēc tiem nav “mīļākā” laika virziena.
Entropijas problēma
Saskaņā ar otro termodinamikas likumu, kasistēmas entropijai ir jāpalielinās. Entropija, kas darbojas kā “laika bultiņa”, ir viens no nedaudzajiem fizikas lielumiem, kas liek laikam kustēties noteiktā virzienā.
Piemēram, šī tendence uz pieaugošo jucekliin Universe izskaidro, kāpēc sastāvdaļas ir vieglāk sajaukt, nekā tās atdalīt. Pieaugošo nekārtību dēļ entropija ir tik cieši saistīta ar mūsu laika izjūtu. Slavenā aina Kurta Vonnegūta romānā Slakhterhouse-Five demonstrē, kā entropija dažādos veidos ietekmē laika virzienu: Otrā pasaules kara laikā no ievainotajiem tiek izsūktas lodes; ugunsgrēki “saraujas”, un laika apgrieztā bulta iznīcina kara nekārtības un postījumus.
Diagramma, kas izskaidro entropiju. Ilustrācija: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, izmantojot Wikimedia Commons
Problēma ir tā, ka entropija irGalvenokārt statistikas jēdziens, tas neattiecas uz atsevišķām subatomiskām daļiņām. Faktiski katra daļiņu mijiedarbība, ko zinātnieki līdz šim ir novērojuši (ieskaitot līdz pat miljardam mijiedarbību sekundē, kas notiek pasaulē lielākajā atomu paātrinātājā, lielajā hadronu paātrinātājā), saglabā CPT nemainīgumu. Tādējādi daļiņas, kas, šķiet, virzās uz priekšu laikā, nav atšķiramas no tām, kas atrodas antidaļiņu spoguļu sistēmā, kas ceļo “atpakaļ pagātnē”. Protams, antimateriāls, kas radās no matērijas Lielā sprādziena laikā, faktiski nepārvietojas atpakaļ laikā. Tas vienkārši uzvedas tā, it kā tas sekotu laika bultai, kas ir pretējs parastajai matērijai.
Kā noritēja eksperimenti?
Kā jūs zināt, superpozīcija, par kuru mēs rakstījāmiepriekš minēto, ir grūti eksperimentāli novērot. Lai to panāktu, abas fiziķu komandas izstrādāja līdzīgus eksperimentus, lai sadalītu fotonu divu atsevišķu ceļu superpozīcijā caur kristālu. Rezultātā fotons pārvietojās pa vienu ceļu cauri kristālam kā parasti, bet cits tika konfigurēts, lai mainītu fotona vai tā punkta polarizāciju telpā. Mērķis ir likt tai kustēties tā, it kā tas ceļotu atpakaļ laikā.
Fotoni kalcīta ārpusē un iekšpusē. Foto: Jans Pavelka, CC BY-SA 4.0
Pēc uzklātu fotonu rekombinācijas, ietIzmantojot tos caur citu kristālu, fiziķi izmērīja fotonu polarizāciju vairākos atkārtotos eksperimentos. Rezultātā viņi novēroja kvantu traucējumu modeli, kas sastāvēja no gaišām un tumšām joslām. Tas varētu pastāvēt tikai tad, ja fotons sadalītos un pārvietotos abos laika virzienos. Kā skaidro eksperimentu autori, šī procesu superpozīcija vairāk līdzinās objektam, kas vienlaikus griežas pulksteņrādītāja virzienā un pretēji tam.
Kā tas palīdzēs zinātnei?
Zīmīgi, ka fiziķi ir radījuši unikālufotons ar apgrieztu laiku tikai ziņkārības dēļ. Bet turpmākie eksperimenti parādīja, ka abus laika virzienus var savienot ar atgriezeniskiem loģiskajiem vārtiem, lai nodrošinātu vienlaicīgus aprēķinus abos virzienos. Tas paver ceļu kvantu procesoriem ar palielinātu apstrādes jaudu.
Zinātnieku atklājums ietekmēs teorijas nākotnikvantu gravitācija, kas apvienos vispārējo relativitātes teoriju un kvantu mehāniku (High-Tech iepriekš detalizēti rakstīja par šīm divām fundamentālajām teorijām). Tajā jāiekļauj daļiņas ar jauktu laika orientāciju, kā tas ir jaunajos eksperimentos. Ja tas izdosies, tad zinātnieki varēs izpētīt dažas no noslēpumainākajām parādībām Visumā. Piemēram, ieskatieties melnajos caurumos vai saprotiet, vai ir iespējama ceļošana laikā.
Lasīt vairāk:
Ūdeņraža enerģija, materiāls pret aukstu laiku un biopiedevas pret COVID-19: ko zinātnieki rada ziemeļos
Ola tika izmesta no kosmosa: paskatieties, kas ar to notika
"Staigājošie mirušie" pastāvēja pirms miljoniem gadu: zinātnieki stāstīja, kā tie parādījās
</ p>