Zmiešané časové smery fotónu pomôžu fyzikom preskúmať povahu čiernych dier.
Čo si robil
vedci?
Delením fotónu pomocou špeciálnehooptického kryštálu, dve nezávislé skupiny fyzikov dosiahli to, čo nazývajú kvantová časová revolúcia. V tomto stave fotón existuje v doprednom aj spätnom časovom stave. Jednoducho povedané, vedci dokázali, že svetlo sa pohybuje súčasne dopredu a dozadu v čase.
Efekt vzniká ako výsledok spojenia dvoch podivných princípov kvantovej mechaniky.
Prvou zvláštnosťou je kvantová superpozícia
Prvý princíp, známy ako kvantovýsuperpozícia, umožňuje malým časticiam súčasne existovať v mnohých rôznych stavoch alebo rôznych verziách samých seba, kým nie sú pozorované. Existuje jednoduchý myšlienkový experiment, ktorý pomáha pochopiť tento skutočne zvláštny koncept. Hovoríme o slávnej Schrödingerovej mačke.
Schrödingerova mačka, vedecké centrum, Singapur. Foto: Sharon Hahn Darlin
V roku 1935 to navrhol jeden z tvorcovkvantovej mechaniky Erwin Schrödinger počas diskusie o fyzikálnom význame vlnovej funkcie. V myšlienkovom experimente je mačka umiestnená do zapečatenej škatule obsahujúcej liekovku s jedom, ktorého uvoľňovanie je riadené rádioaktívnym rozpadom alfa častice. Rádioaktívny rozpad je kvantový mechanický proces, ktorý sa vyskytuje náhodne.
Preto sa spočiatku nedá vedieť čosa stalo mačke, ktorá je v superpozícii stavov, je mŕtva aj živá. V každom prípade, kým sa do procesu nezapojí pozorovateľ – človek, ktorý škatuľku otvorí a zistí pravdu.
Druhou zvláštnosťou je kvantová symetria
Druhý princíp, ktorý bol použitývedci —CPT-invariantnosť. Toto je základná symetria fyzikálnych zákonov počas transformácií zahŕňajúcich súčasnú inverziu konjugácie náboja (Charge, C), parity (Parita, P) a času (Time, T).
CPT je jediná kombinácia C, P a T, ktoráje presná symetria prírody na základnej úrovni. Podľa tohto princípu bude každý systém obsahujúci častice dodržiavať rovnaké fyzikálne zákony. Stane sa to aj vtedy, ak sú náboje častíc, priestorové súradnice a pohyb v čase invertované ako v zrkadle.
"Šípka času"
Spojením týchto dvoch princípov fyzici vytvorili fotón,ktorý akoby sa súčasne pohyboval pozdĺž „šípky času“ a späť. Toto je filozofický termín, ktorý sa používa na vysvetlenie smeru a nezvratnosti času. Tento koncept je vizuálne znázornený ako časová os alebo šípka. Pohybuje sa priamo a len dopredu, z minulosti do budúcnosti.
Experiment s fotónom však veci mení:fyzikom sa podarilo „oklamať“ čas. Vedci zverejnili výsledky dvoch experimentov (prvý, druhý) na predtlačovom serveri arXiv. Výsledky ešte neboli recenzované.
Vo všeobecnosti, napriek svojej logikeVedci sú si istí, že koncept „šípky času“, ktorý ľudia každý deň pozorujú v makroskopickom svete, v skutočnosti odporuje mnohým základným zákonom fyziky. Vo všeobecnosti sú symetrické v čase, a preto nemajú „obľúbený“ smer času.
Problém entropie
Podľa druhého zákona termodynamiky, žeentropia systému sa musí zvýšiť. Entropia, ktorá pôsobí ako „šípka času“, je jednou z mála veličín vo fyzike, ktorá spôsobuje, že sa čas pohybuje určitým smerom.
Napríklad tento trend smerom k zvyšovaniu neporiadkuvo vesmíre vysvetľuje, prečo je jednoduchšie ingrediencie miešať, ako ich oddeľovať. Práve kvôli rastúcej poruche je entropia tak úzko spätá s naším vnímaním času. Slávna scéna v románe Kurta Vonneguta Jatka-päť ukazuje, ako entropia ovplyvňuje smerovanie času rôznymi spôsobmi: počas 2. svetovej vojny sa z ranených vysávajú guľky; požiare sa „zmenšujú“ a obrátený šíp času ničí chaos a devastáciu vojny.
Diagram vysvetľujúci entropiu. Ilustrácia: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, prostredníctvom Wikimedia Commons
Problém je v tom, že entropia jePrimárne ide o štatistický koncept, ktorý sa nevzťahuje na jednotlivé subatomárne častice. V skutočnosti každá interakcia častíc, ktorú vedci doteraz pozorovali (vrátane až miliardy interakcií za sekundu, ku ktorým dochádza v najväčšom atómovom urýchľovači na svete, Veľkom hadrónovom urýchľovači), zachováva invarianciu CPT. Častice, ktoré sa zdajú byť vpred v čase, sú teda na nerozoznanie od častíc v zrkadlovom systéme antičastíc, ktoré cestujú „späť do minulosti“. Samozrejme, antihmota, ktorá vznikla z hmoty pri Veľkom tresku, sa v skutočnosti nepohybuje späť v čase. Len sa chová, ako keby sledoval šíp času, opak bežnej hmoty.
Ako prebiehali experimenty?
Ako viete, superpozícia, o ktorej sme písalivyššie, je ťažké experimentálne pozorovať. Na dosiahnutie tohto cieľa oba tímy fyzikov navrhli podobné experimenty na rozdelenie fotónu na superpozíciu dvoch samostatných dráh cez kryštál. V dôsledku toho sa fotón pohyboval po jednej ceste cez kryštál ako zvyčajne, ale iná bola nakonfigurovaná na zmenu polarizácie fotónu alebo jeho bodu v priestore. Cieľom je, aby sa pohyboval, ako keby cestoval späť v čase.
Fotóny vonku a vnútri kalcitu. Foto: Jan Pawelka, CC BY-SA 4.0
Po rekombinácii superponovaných fotónov prechádzaPomocou nich cez iný kryštál fyzici merali polarizáciu fotónov v niekoľkých opakovaných experimentoch. V dôsledku toho pozorovali kvantový interferenčný vzor, ktorý pozostával zo svetlých a tmavých pásov. Mohol by existovať iba vtedy, ak by sa fotón rozdelil a pohyboval oboma smermi času. Ako vysvetľujú autori experimentov, táto superpozícia procesov je skôr ako objekt, ktorý sa otáča súčasne v smere a proti smeru hodinových ručičiek.
Ako to pomôže vede?
Je pozoruhodné, že fyzici vytvorili unikátfotón s prevráteným časom len zo zvedavosti. Nasledujúce experimenty však ukázali, že oba smery času môžu byť pripojené k reverzibilným logickým bránam, aby sa zabezpečili súčasné výpočty v oboch smeroch. To otvára cestu pre kvantové procesory so zvýšeným výpočtovým výkonom.
Objav vedcov ovplyvní budúcnosť teóriekvantová gravitácia, ktorá zjednotí všeobecnú teóriu relativity a kvantovú mechaniku (High-Tech predtým podrobne písal o týchto dvoch základných teóriách). Mal by zahŕňať častice so zmiešanou časovou orientáciou, ako v nových experimentoch. Ak sa to podarí, vedci budú môcť študovať niektoré z najzáhadnejších javov vo vesmíre. Pozrite sa napríklad do čiernych dier alebo pochopte, či je možné cestovať v čase.
Čítaj viac:
Vodíková energia, materiál proti chladnému počasiu a bioaditíva proti COVID-19: čo vytvárajú vedci na severe
Vajíčko spadlo z vesmíru: pozrite sa, čo sa s ním stalo
„The Walking Dead“ existovali pred miliónmi rokov: vedci povedali, ako sa objavili
</ p>