Змішані часові напрямки фотона допоможуть фізикам досліджувати природу чорних дірок.
Що зробили
вчені?
Розділивши фотон за допомогою спеціальногооптичного кристала, дві незалежні групи фізиків досягли того, що вони називають квантовим переворотом часу. У цьому стані фотон існує як в прямому, так і в зворотному часовому стані. Простими словами, вчені довели, що світло рухається одночасно вперед та назад у часі.
Ефект виникає в результаті об'єднання двох дивних принципів квантової механіки.
Перша дивина - квантова суперпозиція
Перший принцип, відомий як квантовасуперпозиція, дозволяє крихітним часткам існувати в багатьох різних станах або різних версіях самих себе одночасно, поки їх не спостерігають. Є простий уявний експеримент, який допомагає зрозуміти це справді дивну концепцію. Йдеться про відомого кота Шредінгера.
Кіт Шредінгера, Науковий центр, Сінгапур. Фото: Sharon Hahn Darlin
У 1935 році його запропонував один із творцівквантової механіки Ервін Шредінгер під час обговорення фізичного сенсу хвильової функції. У рамках уявного експерименту кота поміщають в запечатаний ящик з пухирцем отрути, вивільнення якого контролює радіоактивний розпад альфа-частинки. Радіоактивний розпад - це квантово-механічний процес, який відбувається випадковим чином.
Саме тому спочатку неможливо дізнатися, щотрапилося з кітом, який знаходиться в суперпозиції станів, будучи одночасно мертвим і живим. У всякому разі, поки до процесу не підключиться спостерігач — людина, яка відкриє скриньку та з'ясує правду.
Друга дивина - квантова симетрія
Другий принцип, який використаливчені - CPT-інваріантність. Це фундаментальна симетрія фізичних законів при перетвореннях, що включають одночасну інверсію зарядового сполучення (Charge, С), парності (Parity, P) та часу (Time, T).
CPT - єдина комбінація C, P і T, якає точною симетрією природи на фундаментальному рівні. Відповідно до цього принципу, будь-яка система, що містить частинки, буде підкорятися одним і тим самим фізичним законам. Це станеться навіть у тому випадку, якщо заряди частинок, просторові координати і рух у часі перевернуті, як у дзеркалі.
«Стріла часу»
Об'єднавши ці два принципи, фізики створили фотон,який, здавалося, одночасно рухався вздовж «стріли часу» і назад. Це філософський термін, який використовується, щоб пояснити напрямок і незворотність часу. Наочно цю концепцію показують як тимчасову вісь чи стрілу. Вона рухається прямо і тільки вперед, з минулого в майбутнє.
Проте експеримент із фотоном змінює справу:фізикам вдалося «обдурити» час. Вчені опублікували результати двох експериментів (перше, друге) на сервері препринтів arXiv. Результати поки що не пройшли рецензування.
Взагалі, незважаючи на свою логічністьконцепції «стріли часу», яку люди спостерігають щодня в макроскопічному світі, насправді це суперечить багатьом фундаментальним законам фізики, впевнені вчені. Вони, в цілому, симетричні в часі і тому у них немає «улюбленого» напряму часу.
Проблема ентропії
Згідно з другим законом термодинаміки, щоЕнтропія системи має зростати. Працюючи як «стріла часу», ентропія — одна з небагатьох величин у фізиці, яка змушує час рухатися в певному напрямку.
Наприклад, ця тенденція до зростання безладуу Всесвіті пояснює, чому легше змішувати інгредієнти, ніж розділяти їх. Саме через зростаючий безлад ентропія так тісно пов'язана з нашим відчуттям часу. Знаменита сцена в романі Курта Воннегута «Бійня номер п'ять» демонструє, як по-різному ентропія впливає на напрям часу: під час Другої світової кулі висмоктуються з поранених; багаття «стискаються» і навернена назад стріла часу знищує безладдя та спустошення війни.
Схема, яка пояснює ентропію. Ілюстрація: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Проблема в тому, що ентропія — це,перш за все, статистичне поняття, вона не застосовна до окремих субатомних частинок. Фактично, в кожній взаємодії частинок, яку вчені спостерігали досі (включаючи до мільярда взаємодій в секунду, які відбуваються всередині найбільшого в світі прискорювача атомів, Великого адронного колайдера) підтримується CPT-інваріантність. Таким чином, частинки, які, здається, рухаються вперед у часі, не відрізняються від тих, які знаходяться в дзеркальній системі античастинок, що прямують «в минуле». Звичайно, антиматерія, яка з'явилася з матерії під час Великого вибуху, насправді не рухається назад у часі. Просто вона поводиться так, ніби слідує за стрілою часу, протилежної звичайної матерії.
Як пройшли досліди?
Як відомо, суперпозицію, про яку ми писаливище, складно спостерігати експериментально. Щоб досягти цього, обидві команди фізиків розробили аналогічні експерименти з розщеплення фотона за суперпозицією двох окремих шляхів через кристал. У результаті фотон рухався по одному шляху через кристал як завжди, але інший — налаштували для зміни поляризації фотона або його точки в просторі. Мета — змусити його рухатися так, якби він переміщався назад у часі.
Фотони зовні і всередині кальциту. Фото: Ян Павелка, CC BY-SA 4.0
Після рекомбінації накладених фотонів, пропустившиїх через інший кристал, фізики виміряли поляризацію фотонів в кількох повторних експериментів. У результаті вони спостерігали квантову інтерференційну картину, яка складалася зі світлих і темних смуг. Вона могла існувати тільки в тому випадку, якщо фотон розщепився і рухався в обох напрямках часу. Як пояснюють автори експериментів, ця суперпозиція процесів більше схожа на об'єкт, який обертається одночасно за годинниковою стрілкою і проти неї.
Як це допоможе науці?
Цікаво, що фізики створили унікальнийфотон з перевернутим часом просто з цікавості. Але подальші експерименти показали - обидва напрямки часу можна з'єднати з оборотними логічними вентилями, щоб забезпечити одночасні обчислення в будь-якому напрямку. Це відкриває шлях для квантових процесорів із підвищеною обчислювальною потужністю.
Відкриття вчених вплине на майбутню теоріюквантової гравітації, яка об'єднає загальну теорію відносності та квантову механіку (раніше «Хайтек» докладно писав про ці дві фундаментальні теорії). Вона повинна включати частки зі змішаною тимчасовою орієнтацією, як у нових експериментах. Якщо це вийде, то вчені зможуть вивчити деякі з найзагадковіших явищ у Всесвіті. Наприклад, заглянути в чорні діри або зрозуміти, чи можливі подорожі в часу.
Читати далі:
Воднева енергія, матеріал проти холодів та біодобавки проти COVID-19: що створюють вчені на Півночі
Яйце скинули з космосу: подивіться, що сталося з ним.
«Ходячі мерці» існували мільйони років тому: вчені розповіли, як вони з'явилися
</ P>