De blandede tidsretningene til fotonet vil hjelpe fysikere med å undersøke naturen til sorte hull.
Hva gjorde du
forskere?
Ved å dele et foton ved hjelp av en spesielloptisk krystall, har to uavhengige grupper av fysikere oppnådd det de kaller en kvantetidsrevolusjon. I denne tilstanden eksisterer fotonet i både forover og bakover tidstilstander. Enkelt sagt har forskere bevist at lys beveger seg samtidig fremover og bakover i tid.
Effekten oppstår som et resultat av å kombinere to merkelige prinsipper for kvantemekanikk.
Den første rariteten er kvantesuperposisjon
Det første prinsippet, kjent som kvantesuperposisjon, lar små partikler eksistere i mange forskjellige tilstander eller forskjellige versjoner av seg selv samtidig til de blir observert. Det er et enkelt tankeeksperiment som hjelper til med å forstå dette virkelig merkelige konseptet. Vi snakker om den berømte Schrödingers katt.
Schrödinger's Cat, Science Centre, Singapore. Foto: Sharon Hahn Darlin
I 1935 ble det foreslått av en av skapernekvantemekanikk Erwin Schrödinger under en diskusjon om den fysiske betydningen av bølgefunksjonen. I et tankeeksperiment blir en katt plassert i en forseglet boks som inneholder et hetteglass med gift, hvis frigjøring kontrolleres av radioaktivt forfall av en alfapartikkel. Radioaktivt forfall er en kvantemekanisk prosess som skjer tilfeldig.
Derfor er det i utgangspunktet umulig å vite hvaskjedd med en katt som er i en superposisjon av stater, både død og levende. I alle fall inntil en observatør blir med i prosessen - en person som åpner esken og finner ut sannheten.
Den andre rariteten er kvantesymmetri
Det andre prinsippet som ble bruktforskere —CPT-invarians. Dette er den grunnleggende symmetrien til fysiske lover under transformasjoner som involverer samtidig inversjon av ladningskonjugering (Charge, C), paritet (Parity, P) og tid (Time, T).
CPT er den eneste kombinasjonen av C, P og T somer naturens eksakte symmetri på et grunnleggende nivå. I henhold til dette prinsippet vil ethvert system som inneholder partikler adlyde de samme fysiske lovene. Dette vil skje selv om partikkelladningene, romlige koordinatene og bevegelsen i tid er invertert, som i et speil.
"Tidens pil"
Ved å kombinere disse to prinsippene skapte fysikere fotonet,som så ut til å bevege seg langs "tidspilen" og tilbake samtidig. Dette er et filosofisk begrep som brukes for å forklare tidens retning og irreversibilitet. Dette konseptet vises visuelt som en tidsakse eller pil. Den beveger seg rett og bare fremover, fra fortiden til fremtiden.
Imidlertid endrer et eksperiment med et foton ting:fysikere klarte å "bedra" tiden. Forskere publiserte resultatene av to eksperimenter (første, andre) på arXiv preprint-serveren. Resultatene er ennå ikke fagfellevurdert.
Generelt, til tross for sin logikkKonseptet med "tidens pil", som folk observerer hver dag i den makroskopiske verden, er faktisk i strid med mange grunnleggende fysikklover, er forskere sikre på. De er generelt symmetriske i tid, og derfor har de ikke en "favoritt" tidsretning.
Entropi problem
I følge termodynamikkens andre lov, detentropien til systemet må øke. Entropi fungerer som "tidens pil" og er en av de få størrelsene i fysikk som får tid til å bevege seg i en bestemt retning.
For eksempel denne trenden mot økt roti universet forklarer hvorfor det er lettere å blande ingredienser enn å skille dem. Det er på grunn av økende lidelse at entropi er så nært knyttet til vår tidsfornemmelse. En kjent scene i Kurt Vonneguts roman Slaughterhouse-Five demonstrerer hvordan entropi påvirker tidens retning på forskjellige måter: under andre verdenskrig suges kuler ut av de sårede; brannene "krymper" og tidens omvendte pil ødelegger krigens uorden og ødeleggelse.
Diagram som forklarer entropi. Illustrasjon: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Problemet er at entropi er detPrimært et statistisk konsept, det gjelder ikke individuelle subatomære partikler. Faktisk opprettholder alle partikkelinteraksjonsforskere så langt (inkludert de opptil en milliard interaksjoner per sekund som skjer inne i verdens største atomakselerator, Large Hadron Collider) CPT-invarians. Dermed kan partikler som ser ut til å bevege seg fremover i tid ikke skilles fra de i speilsystemet til antipartikler som reiser «tilbake til fortiden». Antimaterien som dukket opp fra materien i Big Bang, beveger seg selvfølgelig ikke bakover i tid. Den oppfører seg bare som om den følger tidens pil, det motsatte av vanlig materie.
Hvordan gikk forsøkene?
Som du vet, superposisjonen vi skrev omovenfor, er vanskelig å observere eksperimentelt. For å oppnå dette designet begge lagene av fysikere lignende eksperimenter for å dele et foton i en superposisjon av to separate baner gjennom en krystall. Som et resultat beveget fotonet seg langs en vei gjennom krystallen som vanlig, men en annen ble konfigurert til å endre polarisasjonen til fotonet eller dets punkt i rommet. Målet er å få den til å bevege seg som om den reiste tilbake i tid.
Fotoner utenfor og inne i kalsitt. Foto: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
Etter rekombinasjon av overlagrede fotoner, passererVed å bruke dem gjennom en annen krystall, målte fysikere polarisasjonen til fotonene i flere gjentatte eksperimenter. Som et resultat observerte de et kvanteinterferensmønster som besto av lyse og mørke bånd. Det kunne bare eksistere hvis fotonet delte seg og beveget seg i begge retninger av tiden. Som forfatterne av eksperimentene forklarer, er denne superposisjonen av prosesser mer som et objekt som roterer samtidig med klokken og mot klokken.
Hvordan vil dette hjelpe vitenskapen?
Det er bemerkelsesverdig at fysikere har skapt en unikfoton med invertert tid bare av nysgjerrighet. Men påfølgende eksperimenter viste at begge tidsretninger kan kobles til reversible logiske porter for å gi samtidige beregninger i begge retninger. Dette baner vei for kvanteprosessorer med økt prosessorkraft.
Forskernes oppdagelse vil påvirke fremtiden til teorienkvantetyngdekraften, som vil forene den generelle relativitetsteorien og kvantemekanikken (High-Tech skrev tidligere i detalj om disse to grunnleggende teoriene). Det bør inkludere partikler med blandet tidsorientering, som i de nye forsøkene. Hvis dette lykkes, vil forskere kunne studere noen av de mest mystiske fenomenene i universet. Se for eksempel inn i sorte hull eller forstå om tidsreise er mulig.
Les mer:
Hydrogenenergi, materiale mot kaldt vær og bioadditiver mot COVID-19: hva forskere skaper i nord
Egget ble sluppet fra verdensrommet: se hva som skjedde med det
"The Walking Dead" eksisterte for millioner av år siden: forskere fortalte hvordan de dukket opp
</ p>