Direcțiile de timp mixte ale fotonului îi vor ajuta pe fizicieni să exploreze natura găurilor negre.
Ce-ai făcut
oameni de știință?
Prin împărțirea unui foton folosind un specialcristal optic, două grupuri independente de fizicieni au realizat ceea ce ei numesc o revoluție cuantică a timpului. În această stare, fotonul există atât în timp direct cât și în timp invers. În termeni simpli, oamenii de știință au demonstrat că lumina se mișcă simultan înainte și înapoi în timp.
Efectul apare ca urmare a combinării a două principii ciudate ale mecanicii cuantice.
Primul lucru ciudat este suprapunerea cuantică
Primul principiu, cunoscut sub numele de cuanticsuprapunerea, permite particulelor mici să existe în multe stări diferite sau versiuni diferite ale lor însele simultan până când sunt observate. Există un simplu experiment de gândire care ajută la înțelegerea acestui concept cu adevărat ciudat. Vorbim despre celebra pisica lui Schrödinger.
Pisica lui Schrödinger, Centrul de Știință, Singapore. Foto: Sharon Hahn Darlin
În 1935, a fost propus de unul dintre creatorimecanica cuantică Erwin Schrödinger în timpul unei discuții despre semnificația fizică a funcției de undă. Într-un experiment de gândire, o pisică este plasată într-o cutie sigilată care conține o fiolă cu otravă, a cărei eliberare este controlată de degradarea radioactivă a unei particule alfa. Dezintegrarea radioactivă este un proces mecanic cuantic care are loc aleatoriu.
De aceea este inițial imposibil de știut cei sa întâmplat unei pisici care se află într-o suprapunere de stări, fiind și moartă și vie. În orice caz, până când un observator se alătură procesului - o persoană care deschide cutia și află adevărul.
Al doilea lucru ciudat este simetria cuantică
Al doilea principiu care a fost folositoamenii de știință —invarianța CPT. Aceasta este simetria fundamentală a legilor fizice în timpul transformărilor care implică inversarea simultană a conjugării sarcinii (Charge, C), parității (Parity, P) și timpului (Time, T).
CPT este singura combinație de C, P și T careeste simetria exactă a naturii la un nivel fundamental. Conform acestui principiu, orice sistem care conține particule se va supune acelorași legi fizice. Acest lucru se va întâmpla chiar dacă sarcinile particulelor, coordonatele spațiale și mișcarea în timp sunt inversate, ca într-o oglindă.
„Săgeata timpului”
Combinând aceste două principii, fizicienii au creat fotonul,care părea să se miște simultan de-a lungul „săgeții timpului” și înapoi. Acesta este un termen filozofic care este folosit pentru a explica direcția și ireversibilitatea timpului. Acest concept este prezentat vizual ca o axă a timpului sau o săgeată. Se mișcă drept și numai înainte, din trecut în viitor.
Cu toate acestea, un experiment cu un foton schimbă lucrurile:fizicienii au reușit să „înșele” timpul. Oamenii de știință au publicat rezultatele a două experimente (primul, al doilea) pe serverul arXiv preprint. Rezultatele nu au fost încă evaluate de colegi.
În general, în ciuda logicii saleConceptul de „săgeată a timpului”, pe care oamenii îl observă în fiecare zi în lumea macroscopică, contrazice de fapt multe legi fundamentale ale fizicii, oamenii de știință sunt siguri. Ele sunt, în general, simetrice în timp și, prin urmare, nu au o direcție „favorită” a timpului.
Problema de entropie
Conform celei de-a doua lege a termodinamicii, căentropia sistemului trebuie să crească. Acționând ca „săgeata timpului”, entropia este una dintre puținele cantități din fizică care face ca timpul să se miște într-o anumită direcție.
De exemplu, această tendință spre creșterea dezordineiîn Univers explică de ce este mai ușor să amestecați ingredientele decât să le separați. Din cauza dezordinei tot mai mari, entropia este atât de strâns legată de simțul nostru al timpului. O scenă faimoasă din romanul lui Kurt Vonnegut Slaughterhouse-Five demonstrează modul în care entropia afectează direcția timpului în moduri diferite: în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, gloanțe sunt aspirate din răniți; focurile „se micșorează” și săgeata inversată a timpului distruge dezordinea și devastarea războiului.
Diagrama care explică entropia. Ilustrație: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, prin Wikimedia Commons
Problema este că entropia esteÎn primul rând un concept statistic, nu se aplică particulelor subatomice individuale. De fapt, fiecare interacțiune cu particulele pe care oamenii de știință au observat-o până acum (inclusiv până la un miliard de interacțiuni pe secundă care au loc în interiorul celui mai mare accelerator atomic din lume, Large Hadron Collider) menține invarianța CPT. Astfel, particulele care par să avanseze în timp nu se pot distinge de cele din sistemul oglindă de antiparticule care călătoresc „înapoi în trecut”. Desigur, antimateria care a apărut din materie în Big Bang nu se mișcă de fapt înapoi în timp. Se comportă doar ca și cum ar urma săgeata timpului, opusul materiei obișnuite.
Cum au decurs experimentele?
După cum știți, suprapunerea despre care am scrisde mai sus, este dificil de observat experimental. Pentru a realiza acest lucru, ambele echipe de fizicieni au conceput experimente similare pentru a împărți un foton într-o suprapunere a două căi separate printr-un cristal. Ca rezultat, fotonul s-a deplasat de-a lungul unei căi prin cristal, ca de obicei, dar un altul a fost configurat pentru a schimba polarizarea fotonului sau punctul său în spațiu. Scopul este să-l faci să se miște ca și cum ar călători înapoi în timp.
Fotoni în exterior și în interiorul calcitului. Fotografie: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
După recombinarea fotonilor suprapusi, trecândFolosindu-le printr-un alt cristal, fizicienii au măsurat polarizarea fotonilor în mai multe experimente repetate. Ca rezultat, ei au observat un model de interferență cuantică care a constat din benzi luminoase și întunecate. Ar putea exista doar dacă fotonul se rup și se mișcă în ambele direcții ale timpului. După cum explică autorii experimentelor, această suprapunere a proceselor este mai mult ca un obiect care se rotește simultan în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic.
Cum va ajuta acest lucru știința?
Este de remarcat faptul că fizicienii au creat un unicfoton cu timp inversat doar din curiozitate. Dar experimentele ulterioare au arătat că ambele direcții ale timpului pot fi conectate la porți logice reversibile pentru a oferi calcule simultane în ambele direcții. Acest lucru deschide calea pentru procesoarele cuantice cu putere de procesare crescută.
Descoperirea oamenilor de știință va influența viitorul teorieigravitația cuantică, care va uni teoria generală a relativității și mecanica cuantică (High-Tech a scris anterior în detaliu despre aceste două teorii fundamentale). Ar trebui să includă particule cu orientare în timp mixtă, ca în noile experimente. Dacă acest lucru va reuși, atunci oamenii de știință vor putea studia unele dintre cele mai misterioase fenomene din Univers. De exemplu, uitați-vă în găurile negre sau înțelegeți dacă călătoria în timp este posibilă.
Citeste mai mult:
Energia cu hidrogen, material împotriva vremii reci și bioaditivi împotriva COVID-19: ceea ce creează oamenii de știință în nord
Oul a fost aruncat din spațiu: uite ce s-a întâmplat cu el
„The Walking Dead” a existat cu milioane de ani în urmă: oamenii de știință au povestit cum au apărut
</ p>