ทิศทางชั่วขณะของโฟตอนแบบผสมจะช่วยให้นักฟิสิกส์สำรวจธรรมชาติของหลุมดำได้
คุณทำอะไรลงไป
นักวิทยาศาสตร์?
โดยการแบ่งโฟตอนโดยใช้วิธีพิเศษคริสตัลเชิงแสง นักฟิสิกส์อิสระสองกลุ่มได้บรรลุสิ่งที่พวกเขาเรียกว่าการปฏิวัติเวลาควอนตัม ในสถานะนี้ โฟตอนมีอยู่ในสถานะเวลาเดินหน้าและถอยหลัง กล่าวง่ายๆ ก็คือ นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าแสงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและข้างหลังในเวลาเดียวกัน
ผลดังกล่าวเกิดขึ้นจากการผสมผสานหลักการแปลก ๆ สองประการของกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกัน
ความแปลกประหลาดประการแรกคือการซ้อนทับควอนตัม
หลักการแรกเรียกว่าควอนตัมการซ้อนทับกันทำให้อนุภาคขนาดเล็กสามารถดำรงอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันหรือเวอร์ชันต่างๆ ของตัวเองได้พร้อมๆ กันจนกว่าจะมีคนสังเกตเห็น มีการทดลองทางความคิดง่ายๆ ที่ช่วยให้เข้าใจแนวคิดที่แปลกจริงๆ นี้ เรากำลังพูดถึงแมวของSchrödingerผู้โด่งดัง
แมวของชโรดิงเงอร์ ศูนย์วิทยาศาสตร์ สิงคโปร์ ภาพ: ชารอน ฮาห์น ดาร์ลิน
ในปี พ.ศ. 2478 ผู้สร้างคนหนึ่งเสนอเรื่องนี้กลศาสตร์ควอนตัม เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ระหว่างการอภิปรายเกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของฟังก์ชันคลื่น ในการทดลองทางความคิด แมวจะถูกวางลงในกล่องปิดผนึกซึ่งมีขวดยาพิษ ซึ่งการปล่อยสารพิษจะถูกควบคุมโดยการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของอนุภาคอัลฟา การสลายกัมมันตภาพรังสีเป็นกระบวนการทางกลควอนตัมที่เกิดขึ้นแบบสุ่ม
นั่นคือเหตุผลว่าทำไมในตอนแรกจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ว่าอะไรเกิดขึ้นกับแมวตัวหนึ่งซึ่งอยู่ในสถานะทับซ้อนกันทั้งตายและเป็นอยู่ ไม่ว่าในกรณีใดจนกว่าผู้สังเกตการณ์จะเข้าร่วมกระบวนการ - ผู้เปิดกล่องและรู้ความจริง
ความแปลกประหลาดที่สองคือสมมาตรควอนตัม
หลักการที่สองที่ใช้นักวิทยาศาสตร์ —ความไม่แปรเปลี่ยนของ CPT นี่คือความสมมาตรพื้นฐานของกฎฟิสิกส์ระหว่างการแปลงที่เกี่ยวข้องกับการกลับประจุพร้อมกัน (ประจุ, C), ภาวะเท่าเทียมกัน (ความเท่าเทียมกัน, P) และเวลา (เวลา, T)
CPT คือการรวมกันของ C, P และ T เท่านั้นคือความสมมาตรที่แน่นอนของธรรมชาติในระดับพื้นฐาน ตามหลักการนี้ ระบบใดๆ ที่มีอนุภาคจะเป็นไปตามกฎทางกายภาพเดียวกัน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นแม้ว่าประจุของอนุภาค พิกัดเชิงพื้นที่ และการเคลื่อนที่ในเวลาจะกลับด้านเหมือนในกระจกก็ตาม
"ลูกศรแห่งเวลา"
ด้วยการรวมหลักการทั้งสองนี้เข้าด้วยกัน นักฟิสิกส์จึงสร้างโฟตอนขึ้นมาซึ่งดูเหมือนเคลื่อนไปตาม “ลูกศรแห่งเวลา” และย้อนกลับพร้อมๆ กัน นี่เป็นศัพท์เชิงปรัชญาที่ใช้อธิบายทิศทางและความไม่สามารถย้อนกลับของเวลาได้ แนวคิดนี้จะแสดงเป็นแกนเวลาหรือลูกศร มันเคลื่อนตรงและไปข้างหน้าเท่านั้นจากอดีตสู่อนาคต
อย่างไรก็ตาม การทดลองกับโฟตอนทำให้สิ่งต่างๆ เปลี่ยนไป:นักฟิสิกส์สามารถ "หลอกลวง" เวลาได้ นักวิทยาศาสตร์ตีพิมพ์ผลการทดลองสองครั้ง (ครั้งแรก ครั้งที่สอง) บนเซิร์ฟเวอร์การพิมพ์ล่วงหน้า arXiv ผลลัพธ์ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ
โดยทั่วไปแม้จะมีตรรกะก็ตามแนวคิดของ "ลูกศรแห่งเวลา" ซึ่งผู้คนสังเกตเห็นทุกวันในโลกขนาดมหภาคนั้นขัดแย้งกับกฎพื้นฐานของฟิสิกส์หลายประการจริงๆ นักวิทยาศาสตร์มั่นใจ โดยทั่วไปแล้ว พวกมันมีความสมมาตรในเรื่องของเวลา ดังนั้นจึงไม่มีทิศทางของเวลาที่ "ชื่นชอบ"
ปัญหาเอนโทรปี
ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ว่าเอนโทรปีของระบบจะต้องเพิ่มขึ้น เอนโทรปีทำหน้าที่เป็น "ลูกศรแห่งเวลา" เป็นหนึ่งในปริมาณไม่กี่ปริมาณในฟิสิกส์ที่ทำให้เวลาเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แน่นอน
เช่น แนวโน้มนี้ทำให้เกิดความยุ่งเหยิงมากขึ้นในจักรวาลอธิบายว่าทำไมการผสมส่วนผสมจึงง่ายกว่าการแยกออกจากกัน เป็นเพราะความผิดปกติที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เอนโทรปีจึงเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับความรู้สึกเกี่ยวกับเวลาของเรา ฉากที่มีชื่อเสียงในนวนิยาย Slaughterhouse-Five ของ Kurt Vonnegut แสดงให้เห็นว่าเอนโทรปีส่งผลต่อทิศทางของเวลาในรูปแบบต่างๆ อย่างไร: ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง กระสุนจะถูกดูดออกจากผู้บาดเจ็บ ไฟจะ “หดตัว” และลูกศรแห่งกาลเวลาที่ย้อนกลับจะทำลายความวุ่นวายและความหายนะของสงคราม
แผนภาพอธิบายเอนโทรปี ภาพประกอบ: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, ผ่าน Wikimedia Commons
ปัญหาก็คือว่าเอนโทรปีคือโดยพื้นฐานแล้วเป็นแนวคิดทางสถิติ แต่ไม่ได้ใช้กับอนุภาคย่อยของอะตอมแต่ละอนุภาค ในความเป็นจริง ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นจนถึงตอนนี้ (รวมถึงปฏิสัมพันธ์มากถึงพันล้านครั้งต่อวินาทีที่เกิดขึ้นภายในเครื่องเร่งอะตอมที่ใหญ่ที่สุดในโลก นั่นคือ Large Hadron Collider) จะรักษาค่าคงที่ของ CPT ดังนั้น อนุภาคที่ดูเหมือนจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามเวลาจึงแยกไม่ออกจากอนุภาคที่อยู่ในระบบกระจกของปฏิภาคที่เดินทาง "ย้อนเวลากลับไปในอดีต" แน่นอนว่าปฏิสสารที่เกิดจากสสารในบิกแบงไม่ได้เคลื่อนที่ย้อนเวลากลับไปทันเวลา มันเพียงมีพฤติกรรมราวกับกำลังเป็นไปตามลูกศรแห่งเวลา ซึ่งตรงกันข้ามกับสสารทั่วไป
การทดลองเป็นอย่างไร
ดังที่คุณทราบการซ้อนทับที่เราเขียนถึงข้างต้นเป็นเรื่องยากที่จะสังเกตจากการทดลอง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นักฟิสิกส์ทั้งสองทีมได้ออกแบบการทดลองที่คล้ายกันเพื่อแยกโฟตอนออกเป็น 2 เส้นทางที่แยกจากกันผ่านคริสตัล ผลก็คือ โฟตอนเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางหนึ่งผ่านคริสตัลตามปกติ แต่อีกเส้นทางหนึ่งได้รับการกำหนดค่าให้เปลี่ยนโพลาไรเซชันของโฟตอนหรือจุดในอวกาศ เป้าหมายคือทำให้มันเคลื่อนที่ราวกับว่ากำลังเดินทางย้อนเวลากลับไป
โฟตอนภายนอกและภายในแคลไซต์ ภาพถ่าย: “Jan Pawelka” CC BY-SA 4.0
หลังจากการรวมตัวกันของโฟตอนที่ทับซ้อนกันอีกครั้งก็ผ่านไปนักฟิสิกส์ใช้พวกมันผ่านคริสตัลอีกอันเพื่อวัดโพลาไรเซชันของโฟตอนในการทดลองซ้ำหลายครั้ง เป็นผลให้พวกเขาสังเกตเห็นรูปแบบการรบกวนควอนตัมที่ประกอบด้วยแถบแสงและความมืด มันสามารถดำรงอยู่ได้ก็ต่อเมื่อโฟตอนแยกและเคลื่อนที่ไปในทั้งสองทิศทางของเวลา ตามที่ผู้เขียนการทดลองอธิบาย การซ้อนทับของกระบวนการนี้เป็นเหมือนวัตถุที่หมุนตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาพร้อมกัน
สิ่งนี้จะช่วยวิทยาศาสตร์ได้อย่างไร?
เป็นที่น่าสังเกตว่านักฟิสิกส์ได้สร้างเอกลักษณ์ขึ้นมาโฟตอนที่มีเวลากลับหัวเพราะความอยากรู้ แต่การทดลองต่อมาแสดงให้เห็นว่าเวลาทั้งสองทิศทางสามารถเชื่อมต่อกับประตูลอจิกแบบพลิกกลับได้เพื่อให้การคำนวณพร้อมกันในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง นี่เป็นการปูทางให้กับโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีพลังการประมวลผลเพิ่มขึ้น
การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์จะส่งผลต่ออนาคตของทฤษฎีนี้แรงโน้มถ่วงควอนตัม ซึ่งจะรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกัน (ก่อนหน้านี้เทคโนโลยีขั้นสูงได้เขียนรายละเอียดเกี่ยวกับทฤษฎีพื้นฐานทั้งสองนี้โดยละเอียด) ควรรวมอนุภาคที่มีการวางแนวเวลาแบบผสม เช่นเดียวกับในการทดลองใหม่ หากสิ่งนี้สำเร็จ นักวิทยาศาสตร์จะสามารถศึกษาปรากฏการณ์ลึกลับที่สุดในจักรวาลได้ ตัวอย่างเช่น มองเข้าไปในหลุมดำหรือทำความเข้าใจว่าการเดินทางข้ามเวลาเป็นไปได้หรือไม่
อ่านเพิ่มเติม:
พลังงานไฮโดรเจน วัสดุต้านอากาศหนาว และสารเติมแต่งชีวภาพต้านโควิด-19: สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำลังสร้างในภาคเหนือ
ไข่ตกจากอวกาศ ดูสิว่าเกิดอะไรขึ้นกับมัน
"The Walking Dead" มีอยู่เมื่อหลายล้านปีก่อน: นักวิทยาศาสตร์บอกว่าพวกเขาปรากฏตัวอย่างไร
</ p>