As direções temporais mistas do fóton ajudarão os físicos a investigar a natureza dos buracos negros.
O que você fez
cientistas?
Ao dividir um fóton usando um especialcristal óptico, dois grupos independentes de físicos alcançaram o que chamam de revolução do tempo quântico. Neste estado, o fóton existe nos estados de tempo direto e reverso. Em termos simples, os cientistas provaram que a luz se move simultaneamente para frente e para trás no tempo.
O efeito surge como resultado da combinação de dois estranhos princípios da mecânica quântica.
A primeira estranheza é a superposição quântica
O primeiro princípio, conhecido como quantumsuperposição, permite que partículas minúsculas existam em muitos estados diferentes ou em diferentes versões de si mesmas simultaneamente até serem observadas. Há um experimento mental simples que ajuda a entender esse conceito realmente estranho. Estamos falando do famoso gato de Schrödinger.
Gato de Schrödinger, Centro de Ciências, Singapura. Foto: Sharon Hahn Darlin
Em 1935, foi proposto por um dos criadoresmecânica quântica Erwin Schrödinger durante uma discussão sobre o significado físico da função de onda. Num experimento mental, um gato é colocado em uma caixa lacrada contendo um frasco de veneno, cuja liberação é controlada pelo decaimento radioativo de uma partícula alfa. O decaimento radioativo é um processo mecânico quântico que ocorre aleatoriamente.
É por isso que inicialmente é impossível saber o queaconteceu com um gato que está em uma superposição de estados, estando vivo e morto. Em todo caso, até que um observador entre no processo - uma pessoa que abre a caixa e descobre a verdade.
A segunda estranheza é a simetria quântica
O segundo princípio usadocientistas - invariância CPT. Esta é a simetria fundamental das leis físicas durante as transformações que envolvem a inversão simultânea da conjugação de carga (Carga, C), paridade (Paridade, P) e tempo (Tempo, T).
CPT é a única combinação de C, P e T queé a simetria exata da natureza em um nível fundamental. De acordo com este princípio, qualquer sistema contendo partículas obedecerá às mesmas leis físicas. Isto acontecerá mesmo que as cargas das partículas, as coordenadas espaciais e o movimento no tempo sejam invertidos, como num espelho.
"Flecha do Tempo"
Ao combinar estes dois princípios, os físicos criaram o fóton,que parecia mover-se simultaneamente ao longo da “flecha do tempo” e voltar. Este é um termo filosófico usado para explicar a direção e a irreversibilidade do tempo. Este conceito é mostrado visualmente como um eixo de tempo ou seta. Ele se move em linha reta e apenas para frente, do passado para o futuro.
No entanto, um experimento com um fóton muda as coisas:os físicos conseguiram “enganar” o tempo. Os cientistas publicaram os resultados de dois experimentos (primeiro, segundo) no servidor de pré-impressão arXiv. Os resultados ainda não foram revisados por pares.
Em geral, apesar de sua lógicaO conceito de “flecha do tempo”, que as pessoas observam todos os dias no mundo macroscópico, na verdade contradiz muitas leis fundamentais da física, os cientistas têm certeza. São, em geral, simétricos no tempo e, portanto, não possuem uma direção de tempo “favorita”.
problema de entropia
De acordo com a segunda lei da termodinâmica, quea entropia do sistema deve aumentar. Atuando como a “flecha do tempo”, a entropia é uma das poucas quantidades na física que faz com que o tempo se mova em uma determinada direção.
Por exemplo, esta tendência de aumentar a desordemin the Universe explica porque é mais fácil misturar ingredientes do que separá-los. É por causa da desordem crescente que a entropia está tão intimamente ligada ao nosso senso de tempo. Uma cena famosa no romance Matadouro Cinco, de Kurt Vonnegut, demonstra como a entropia afeta a direção do tempo de diferentes maneiras: durante a Segunda Guerra Mundial, as balas são sugadas dos feridos; os incêndios “diminuem” e a flecha invertida do tempo destrói a desordem e a devastação da guerra.
Diagrama explicando a entropia. Ilustração: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
O problema é que a entropia éPrincipalmente um conceito estatístico, não se aplica a partículas subatômicas individuais. Na verdade, todas as interações de partículas que os cientistas observaram até agora (incluindo até um bilhão de interações por segundo que ocorrem dentro do maior acelerador atômico do mundo, o Grande Colisor de Hádrons) mantêm a invariância do CPT. Assim, as partículas que parecem avançar no tempo são indistinguíveis daquelas do sistema de espelhos de antipartículas que viajam “de volta ao passado”. É claro que a antimatéria que emergiu da matéria no Big Bang não retrocede no tempo. Ela apenas se comporta como se estivesse seguindo a flecha do tempo, o oposto da matéria comum.
Como correram as experiências?
Como você sabe, a superposição sobre a qual escrevemosacima, é difícil de observar experimentalmente. Para conseguir isso, ambas as equipes de físicos desenvolveram experimentos semelhantes para dividir um fóton em uma superposição de dois caminhos separados através de um cristal. Como resultado, o fóton se moveu ao longo de um caminho através do cristal como de costume, mas outro foi configurado para alterar a polarização do fóton ou seu ponto no espaço. O objetivo é fazê-lo se mover como se estivesse viajando no tempo.
Fótons fora e dentro da calcita. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Após recombinação de fótons sobrepostos, passandoUsando-os através de outro cristal, os físicos mediram a polarização dos fótons em vários experimentos repetidos. Como resultado, eles observaram um padrão de interferência quântica que consistia em bandas claras e escuras. Só poderia existir se o fóton se dividisse e se movesse nas duas direções do tempo. Como explicam os autores dos experimentos, essa superposição de processos se assemelha mais a um objeto que gira simultaneamente no sentido horário e anti-horário.
Como isso ajudará a ciência?
É digno de nota que os físicos criaram um únicofóton com tempo invertido só por curiosidade. Mas experimentos subsequentes mostraram que ambas as direções do tempo podem ser conectadas a portas lógicas reversíveis para fornecer cálculos simultâneos em qualquer direção. Isso abre caminho para processadores quânticos com maior poder de processamento.
Descoberta dos cientistas influenciará o futuro da teoriagravidade quântica, que unirá a teoria geral da relatividade e a mecânica quântica (a High-Tech escreveu anteriormente em detalhes sobre essas duas teorias fundamentais). Deve incluir partículas com orientação temporal mista, como nos novos experimentos. Se isso der certo, os cientistas poderão estudar alguns dos fenômenos mais misteriosos do Universo. Por exemplo, observe os buracos negros ou entenda se a viagem no tempo é possível.
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