De gemengde temporele richtingen van het foton zullen natuurkundigen helpen de aard van zwarte gaten te onderzoeken.
Wat heb je gedaan
wetenschappers?
Door een foton te delen met behulp van een speciaalOptisch kristal hebben twee onafhankelijke groepen natuurkundigen een kwantumtijdrevolutie bereikt. In deze toestand bestaat het foton in zowel voorwaartse als achterwaartse tijdstoestanden. In eenvoudige bewoordingen hebben wetenschappers bewezen dat licht tegelijkertijd vooruit en achteruit in de tijd beweegt.
Het effect ontstaat als resultaat van het combineren van twee vreemde principes van de kwantummechanica.
De eerste eigenaardigheid is kwantumsuperpositie
Het eerste principe, bekend als kwantumsuperpositie zorgt ervoor dat kleine deeltjes tegelijkertijd in veel verschillende toestanden of verschillende versies van zichzelf kunnen bestaan totdat ze worden waargenomen. Er is een eenvoudig gedachte-experiment dat dit werkelijk vreemde concept helpt begrijpen. We hebben het over de beroemde kat van Schrödinger.
De kat van Schrödinger, Science Centre, Singapore. Foto: Sharon Hahn Darlin
In 1935 werd het voorgesteld door een van de makerskwantummechanica Erwin Schrödinger tijdens een bespreking van de fysieke betekenis van de golffunctie. In een gedachte-experiment wordt een kat in een afgesloten doos geplaatst met daarin een flesje gif, waarvan de vrijgave wordt gecontroleerd door het radioactieve verval van een alfadeeltje. Radioactief verval is een kwantummechanisch proces dat willekeurig plaatsvindt.
Daarom is het in eerste instantie onmogelijk om te weten watgebeurde met een kat die zich in een superpositie van toestanden bevindt, zowel dood als levend. In ieder geval totdat een waarnemer zich bij het proces voegt - iemand die de doos opent en de waarheid ontdekt.
De tweede eigenaardigheid is kwantumsymmetrie
Het tweede principe dat werd gebruiktwetenschappers—CPT-invariantie. Dit is de fundamentele symmetrie van natuurkundige wetten tijdens transformaties die gepaard gaan met de gelijktijdige inversie van ladingsconjugatie (Charge, C), pariteit (Parity, P) en tijd (Time, T).
CPT is de enige combinatie van C, P en T die dat doetis de exacte symmetrie van de natuur op een fundamenteel niveau. Volgens dit principe zal elk systeem dat deeltjes bevat, aan dezelfde fysische wetten gehoorzamen. Dit zal zelfs gebeuren als de deeltjesladingen, ruimtelijke coördinaten en beweging in de tijd worden omgekeerd, zoals in een spiegel.
"Pijl van de tijd"
Door deze twee principes te combineren, creëerden natuurkundigen het foton,die tegelijkertijd langs de ‘pijl van de tijd’ heen en weer leek te bewegen. Dit is een filosofische term die wordt gebruikt om de richting en onomkeerbaarheid van tijd te verklaren. Dit concept wordt visueel weergegeven als een tijdas of pijl. Het beweegt zich recht en alleen maar vooruit, van het verleden naar de toekomst.
Een experiment met een foton verandert echter dingen:natuurkundigen zijn erin geslaagd de tijd te ‘misleiden’. Wetenschappers publiceerden de resultaten van twee experimenten (eerste, tweede) op de arXiv preprint-server. De resultaten zijn nog niet peer-reviewed.
Over het algemeen, ondanks de logica ervanHet concept van de ‘pijl van de tijd’, dat mensen elke dag waarnemen in de macroscopische wereld, is feitelijk in tegenspraak met veel fundamentele wetten van de natuurkunde, daar zijn wetenschappers zeker van. Ze zijn over het algemeen symmetrisch in de tijd en hebben daarom geen “favoriete” richting van de tijd.
Entropie probleem
Volgens de tweede wet van de thermodynamica is dat zode entropie van het systeem moet toenemen. Entropie fungeert als de ‘pijl van de tijd’ en is een van de weinige grootheden in de natuurkunde die ervoor zorgen dat de tijd in een bepaalde richting beweegt.
Bijvoorbeeld deze trend naar toenemende rommelin the Universe legt uit waarom het gemakkelijker is om ingrediënten te mengen dan ze te scheiden. Het is vanwege de toenemende wanorde dat entropie zo nauw verbonden is met ons tijdsbesef. Een beroemde scène in Kurt Vonneguts roman Slaughterhouse-Five laat zien hoe entropie de richting van de tijd op verschillende manieren beïnvloedt: tijdens de Tweede Wereldoorlog worden kogels uit de gewonden gezogen; de branden “krimpen” en de omgekeerde pijl van de tijd vernietigt de wanorde en verwoesting van oorlog.
Schema dat entropie uitlegt. Illustratie: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Het probleem is dat er sprake is van entropieHet is in de eerste plaats een statistisch concept en is niet van toepassing op individuele subatomaire deeltjes. In feite handhaaft elke deeltjesinteractie die wetenschappers tot nu toe hebben waargenomen (inclusief de tot een miljard interacties per seconde die plaatsvinden in 's werelds grootste atoomversneller, de Large Hadron Collider) de CPT-invariantie. Deeltjes die vooruit lijken te gaan in de tijd zijn dus niet te onderscheiden van die in het spiegelsysteem van antideeltjes die ‘terug naar het verleden’ reizen. Natuurlijk beweegt de antimaterie die tijdens de oerknal uit de materie is ontstaan, niet daadwerkelijk terug in de tijd. Het gedraagt zich gewoon alsof het de pijl van de tijd volgt, het tegenovergestelde van gewone materie.
Hoe verliepen de experimenten?
Zoals je weet, de superpositie waar we over schrevenhierboven, is experimenteel moeilijk waar te nemen. Om dit te bereiken ontwierpen beide teams van natuurkundigen soortgelijke experimenten om een foton te splitsen in een superpositie van twee afzonderlijke paden door een kristal. Als gevolg hiervan bewoog het foton zoals gewoonlijk langs één pad door het kristal, maar een ander pad werd geconfigureerd om de polarisatie van het foton of zijn punt in de ruimte te veranderen. Het doel is om het te laten bewegen alsof het terug in de tijd reist.
Fotonen buiten en binnen calciet. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Na recombinatie van op elkaar geplaatste fotonen, passerendDoor ze via een ander kristal te gebruiken, maten natuurkundigen de polarisatie van de fotonen in verschillende herhaalde experimenten. Als gevolg hiervan observeerden ze een kwantuminterferentiepatroon dat bestond uit lichte en donkere banden. Het zou alleen kunnen bestaan als het foton zich splitst en in beide richtingen van de tijd beweegt. Zoals de auteurs van de experimenten uitleggen, lijkt deze superpositie van processen meer op een object dat tegelijkertijd met de klok mee en tegen de klok in draait.
Hoe zal dit de wetenschap helpen?
Het is opmerkelijk dat natuurkundigen een uniek exemplaar hebben gecreëerdfoton met omgekeerde tijd, gewoon uit nieuwsgierigheid. Maar daaropvolgende experimenten toonden aan dat beide richtingen van de tijd kunnen worden verbonden met omkeerbare logische poorten om gelijktijdige berekeningen in beide richtingen mogelijk te maken. Dit maakt de weg vrij voor kwantumprocessors met verhoogde verwerkingskracht.
De ontdekking van wetenschappers zal de toekomst van de theorie beïnvloedenkwantumzwaartekracht, die de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zal verenigen (High-Tech schreef eerder in detail over deze twee fundamentele theorieën). Het moet deeltjes bevatten met een gemengde tijdsoriëntatie, zoals in de nieuwe experimenten. Als dit lukt, zullen wetenschappers enkele van de meest mysterieuze verschijnselen in het heelal kunnen bestuderen. Kijk bijvoorbeeld in zwarte gaten of begrijp of tijdreizen mogelijk is.
Lees verder:
Waterstofenergie, materiaal tegen kou en bioadditieven tegen COVID-19: wat wetenschappers in het Noorden aan het creëren zijn
Het ei is uit de ruimte gedropt: kijk wat ermee is gebeurd
"The Walking Dead" bestond miljoenen jaren geleden: wetenschappers vertelden hoe ze verschenen
</ p>