Fotonens blandade temporala riktningar kommer att hjälpa fysiker att undersöka karaktären hos svarta hål.
Vad gjorde du
forskare?
Genom att dela en foton med hjälp av en specielloptisk kristall har två oberoende grupper av fysiker uppnått vad de kallar en kvanttidsrevolution. I detta tillstånd existerar fotonen i både framåt- och bakåttidstillstånd. Enkelt uttryckt har forskare bevisat att ljus rör sig samtidigt framåt och bakåt i tiden.
Effekten uppstår som ett resultat av att man kombinerar två märkliga principer inom kvantmekaniken.
Den första konstigheten är kvantöverlagring
Den första principen, känd som kvantsuperposition, tillåter små partiklar att existera i många olika tillstånd eller olika versioner av sig själva samtidigt tills de observeras. Det finns ett enkelt tankeexperiment som hjälper till att förstå detta riktigt konstiga koncept. Vi pratar om den berömda Schrödingers katt.
Schrödingers katt, Science Centre, Singapore. Foto: Sharon Hahn Darlin
1935 föreslogs den av en av skaparnakvantmekanik Erwin Schrödinger under en diskussion om vågfunktionens fysiska betydelse. I ett tankeexperiment placeras en katt i en förseglad låda som innehåller en flaska med gift, vars utsläpp kontrolleras av det radioaktiva sönderfallet av en alfapartikel. Radioaktivt sönderfall är en kvantmekanisk process som sker slumpmässigt.
Därför är det till en början omöjligt att veta vadhänt en katt som är i en superposition av stater, både död och levande. I alla fall tills en observatör ansluter sig till processen - en person som öppnar lådan och får reda på sanningen.
Den andra konstigheten är kvantsymmetri
Den andra principen som användesforskare —CPT-invarians. Detta är den grundläggande symmetrin av fysiska lagar under transformationer som involverar samtidig inversion av laddningskonjugering (Charge, C), paritet (Parity, P) och tid (Time, T).
CPT är den enda kombinationen av C, P och T somär naturens exakta symmetri på en grundläggande nivå. Enligt denna princip kommer alla system som innehåller partiklar att lyda samma fysiska lagar. Detta kommer att hända även om partikelladdningar, rumsliga koordinater och rörelse i tiden är inverterade, som i en spegel.
"Tidens pil"
Genom att kombinera dessa två principer skapade fysiker fotonen,som såg ut att samtidigt röra sig längs "tidspilen" och tillbaka. Detta är en filosofisk term som används för att förklara tidens riktning och oåterkallelighet. Detta koncept visas visuellt som en tidsaxel eller pil. Den går rakt och bara framåt, från det förflutna till framtiden.
Men ett experiment med en foton ändrar saker:fysiker lyckades "lura" tiden. Forskare publicerade resultaten av två experiment (första, andra) på arXiv preprint-server. Resultaten har ännu inte granskats av experter.
I allmänhet, trots dess logikKonceptet med "tidens pil", som människor observerar varje dag i den makroskopiska världen, motsäger faktiskt många grundläggande fysiklagar, är forskare säkra. De är i allmänhet symmetriska i tiden och därför har de ingen "favorit" tidsriktning.
Entropi problem
Enligt termodynamikens andra lag, detsystemets entropi måste öka. Entropi fungerar som "tidens pil" och är en av de få storheter i fysiken som får tiden att röra sig i en viss riktning.
Till exempel denna trend mot ökad rörani universum förklarar varför det är lättare att blanda ingredienser än att separera dem. Det är på grund av växande störning som entropin är så nära knuten till vår tidsuppfattning. En berömd scen i Kurt Vonneguts roman Slakthus-fem visar hur entropin påverkar tidens riktning på olika sätt: under andra världskriget sugs kulor ut ur de sårade; bränderna "krymper" och tidens omvända pil förstör krigets oordning och förödelse.
Diagram som förklarar entropi. Illustration: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Problemet är att entropi är detFrämst ett statistiskt koncept, det gäller inte enskilda subatomära partiklar. Faktum är att varje partikelinteraktion som forskare har observerat hittills (inklusive de upp till en miljard interaktioner per sekund som sker inuti världens största atomaccelerator, Large Hadron Collider) upprätthåller CPT-invarians. Således går det inte att skilja partiklar som ser ut att röra sig framåt i tiden från de i spegelsystemet av antipartiklar som reser "tillbaka till det förflutna". Naturligtvis rör sig antimateria som uppstod från materia i Big Bang faktiskt inte bakåt i tiden. Den beter sig bara som om den följer tidens pil, motsatsen till vanlig materia.
Hur gick experimenten?
Som ni vet, superpositionen vi skrev omovan är svår att observera experimentellt. För att uppnå detta designade båda lagen av fysiker liknande experiment för att dela en foton i en superposition av två separata banor genom en kristall. Som ett resultat rörde sig fotonen längs en väg genom kristallen som vanligt, men en annan konfigurerades för att ändra polariseringen av fotonen eller dess punkt i rymden. Målet är att få den att röra sig som om den färdades bakåt i tiden.
Fotoner utanför och inuti kalcit. Foto: Jan Pavelka, CC BY-SA 4.0
Efter rekombination av överlagrade fotoner, passerarMed hjälp av dem genom en annan kristall mätte fysiker fotonernas polarisering i flera upprepade experiment. Som ett resultat observerade de ett kvantinterferensmönster som bestod av ljusa och mörka band. Den kunde bara existera om fotonen splittrades och rörde sig i båda riktningarna av tiden. Som författarna till experimenten förklarar är denna överlagring av processer mer som ett objekt som roterar samtidigt medurs och moturs.
Hur kommer detta att hjälpa vetenskapen?
Det är anmärkningsvärt att fysiker har skapat en unikfoton med inverterad tid bara av nyfikenhet. Men efterföljande experiment visade att båda tidsriktningarna kan kopplas till reversibla logiska grindar för att ge samtidiga beräkningar i båda riktningarna. Detta banar väg för kvantprocessorer med ökad processorkraft.
Forskarnas upptäckt kommer att påverka teorins framtidkvantgravitation, som kommer att förena den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken (High-Tech skrev tidigare i detalj om dessa två grundläggande teorier). Det bör innehålla partiklar med blandad tidsorientering, som i de nya experimenten. Om detta lyckas kommer forskare att kunna studera några av de mest mystiska fenomenen i universum. Titta till exempel in i svarta hål eller förstå om tidsresor är möjliga.
Läs mer:
Väteenergi, material mot kallt väder och biotillsatser mot covid-19: vad forskare skapar i norr
Ägget tappades från rymden: se vad som hände med det
"The Walking Dead" fanns för miljoner år sedan: forskare berättade hur de såg ut
</ p>