Mieszane kierunki czasowe fotonu pomogą fizykom badać naturę czarnych dziur.
Co zrobiłeś?
naukowcy?
Dzieląc foton za pomocą specjalnegokryształu optycznego, dwie niezależne grupy fizyków dokonały czegoś, co nazywają rewolucją czasu kwantowego. W tym stanie foton istnieje zarówno w stanie czasowym do przodu, jak i do tyłu. Krótko mówiąc, naukowcy udowodnili, że światło porusza się jednocześnie do przodu i do tyłu w czasie.
Efekt powstaje w wyniku połączenia dwóch dziwnych zasad mechaniki kwantowej.
Pierwszą osobliwością jest superpozycja kwantowa
Pierwsza zasada znana jako kwantowasuperpozycja, pozwala drobnym cząstkom istnieć jednocześnie w wielu różnych stanach lub różnych wersjach samych siebie, dopóki nie zostaną zaobserwowane. Istnieje prosty eksperyment myślowy, który pomaga zrozumieć tę naprawdę dziwną koncepcję. Mówimy o słynnym kocie Schrödingera.
Kot Schrödingera, Centrum Nauki, Singapur. Zdjęcie: Sharon Hahn Darlin
W 1935 roku zaproponował go jeden z twórcówmechanika kwantowa Erwin Schrödinger podczas dyskusji nad fizycznym znaczeniem funkcji falowej. W eksperymencie myślowym kot zostaje umieszczony w zapieczętowanym pudełku zawierającym fiolkę z trucizną, której uwalnianie jest kontrolowane przez radioaktywny rozpad cząstki alfa. Rozpad promieniotwórczy jest procesem mechaniki kwantowej zachodzącym losowo.
Dlatego początkowo nie można wiedzieć, coprzydarzyło się kotowi, który znajduje się w superpozycji stanów, będąc jednocześnie żywym i martwym. W każdym razie do czasu, aż do procesu dołączy obserwator – osoba, która otworzy pudełko i dowie się prawdy.
Drugą osobliwością jest symetria kwantowa
Druga zasada, która została zastosowananaukowcy — niezmienność CPT. Jest to podstawowa symetria praw fizycznych podczas transformacji polegających na jednoczesnym odwróceniu koniugacji ładunku (Charge, C), parzystości (Parity, P) i czasu (Time, T).
CPT to jedyna taka kombinacja C, P i Tjest dokładna symetria natury na poziomie podstawowym. Zgodnie z tą zasadą każdy układ zawierający cząstki będzie podlegał tym samym prawom fizycznym. Stanie się tak nawet wtedy, gdy ładunki cząstek, współrzędne przestrzenne i ruch w czasie zostaną odwrócone, jak w lustrze.
„Strzała czasu”
Łącząc te dwie zasady, fizycy stworzyli foton,która zdawała się jednocześnie poruszać wzdłuż „strzałki czasu” i z powrotem. Jest to termin filozoficzny używany do wyjaśnienia kierunku i nieodwracalności czasu. Koncepcja ta jest wizualnie przedstawiona jako oś czasu lub strzałka. Porusza się prosto i tylko do przodu, od przeszłości do przyszłości.
Jednak eksperyment z fotonem zmienia sytuację:fizykom udało się „oszukać” czas. Naukowcy opublikowali wyniki dwóch eksperymentów (pierwszego, drugiego) na serwerze preprintów arXiv. Wyniki nie zostały jeszcze poddane recenzji.
Ogólnie rzecz biorąc, pomimo swojej logikiNaukowcy są pewni, że koncepcja „strzałki czasu”, którą ludzie na co dzień obserwują w makroskopowym świecie, w rzeczywistości zaprzecza wielu podstawowym prawom fizyki. Są one na ogół symetryczne w czasie i dlatego nie mają „ulubionego” kierunku czasu.
Problem entropii
Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, żeentropia układu musi wzrosnąć. Działając jak „strzałka czasu”, entropia jest jedną z niewielu wielkości w fizyce, która powoduje, że czas porusza się w określonym kierunku.
Na przykład tendencja do zwiększania bałaganuwe Wszechświecie wyjaśnia, dlaczego łatwiej jest mieszać składniki, niż je rozdzielać. To z powodu rosnącego nieporządku entropia jest tak ściśle powiązana z naszym poczuciem czasu. Słynna scena z powieści Kurta Vonneguta Rzeźnia numer pięć pokazuje, jak entropia na różne sposoby wpływa na kierunek czasu: podczas II wojny światowej z rannych wysysane są kule; ognie „kurczą się”, a odwrócona strzałka czasu niszczy nieporządek i zniszczenia wojenne.
Diagram wyjaśniający entropię. Ilustracja: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Problem w tym, że entropia jestJest to przede wszystkim koncepcja statystyczna, która nie ma zastosowania do poszczególnych cząstek subatomowych. W rzeczywistości każda interakcja cząstek, którą naukowcy zaobserwowali do tej pory (w tym aż do miliarda interakcji na sekundę, które zachodzą w największym na świecie akceleratorze atomowym, Wielkim Zderzaczu Hadronów), utrzymuje niezmienność CPT. Zatem cząstki, które wydają się poruszać w czasie do przodu, są nie do odróżnienia od cząstek w systemie lustrzanym antycząstek podróżujących „z powrotem w przeszłość”. Oczywiście antymateria, która wyłoniła się z materii podczas Wielkiego Wybuchu, tak naprawdę nie cofa się w czasie. Po prostu zachowuje się tak, jakby podążała za strzałką czasu, co jest przeciwieństwem zwykłej materii.
Jak wypadły eksperymenty?
Jak wiadomo, superpozycja, o której pisaliśmypowyżej, jest trudne do zaobserwowania eksperymentalnie. Aby to osiągnąć, oba zespoły fizyków zaprojektowały podobne eksperymenty, aby podzielić foton na superpozycję dwóch oddzielnych ścieżek przez kryształ. W rezultacie foton jak zwykle przemieszczał się jedną ścieżką w krysztale, ale inna została skonfigurowana tak, aby zmieniać polaryzację fotonu lub jego punkt w przestrzeni. Celem jest sprawienie, aby poruszał się tak, jakby podróżował w czasie.
Fotony na zewnątrz i wewnątrz kalcytu. Fot. Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
Po rekombinacji nałożonych na siebie fotonów, przejścieWykorzystując je przez inny kryształ, fizycy zmierzyli polaryzację fotonów w kilku powtarzanych eksperymentach. W rezultacie zaobserwowali wzór interferencji kwantowej składający się z jasnych i ciemnych pasm. Mógłby istnieć tylko wtedy, gdyby foton rozdzielił się i poruszał w obu kierunkach czasu. Jak wyjaśniają autorzy eksperymentów, ta superpozycja procesów przypomina bardziej obiekt, który obraca się jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Jak to pomoże nauce?
Warto zauważyć, że fizycy stworzyli unikatfoton z odwróconym czasem, tak z ciekawości. Jednak późniejsze eksperymenty wykazały, że oba kierunki czasu można połączyć z odwracalnymi bramkami logicznymi, aby zapewnić jednoczesne obliczenia w obu kierunkach. Toruje drogę procesorom kwantowym o zwiększonej mocy obliczeniowej.
Odkrycie naukowców wpłynie na przyszłość teoriigrawitację kwantową, która zjednoczy ogólną teorię względności i mechanikę kwantową (High-Tech pisał wcześniej szczegółowo o tych dwóch fundamentalnych teoriach). Powinno obejmować cząstki o mieszanej orientacji czasowej, tak jak w nowych eksperymentach. Jeśli to się powiedzie, naukowcy będą mogli badać niektóre z najbardziej tajemniczych zjawisk we Wszechświecie. Na przykład spójrz na czarne dziury lub dowiedz się, czy podróże w czasie są możliwe.
Czytaj więcej:
Energia wodoru, materiał chroniący przed zimnem i biododatki przeciwko COVID-19: co naukowcy tworzą na północy
Jajko zostało zrzucone z kosmosu: zobacz, co się z nim stało
„The Walking Dead” istniało miliony lat temu: naukowcy opowiedzieli, jak się pojawili
</ p>