Карта сайта

Ученые «обманули» время и отправили фотон в прошлое: как этот прорыв изменит физику

СРТ-симметрия

Перевернутый во времени фотон нельзя использовать для путешествий во времени, но он поможет ученым понять некоторые из самых загадочных явлений во Вселенной. «Хайтек» рассказывает главное о том, как удалось его создать.

Смешанные временные направления фотона помогут физикам исследовать природу черных дыр.

Что сделали ученые?

Разделив фотон с помощью специального оптического кристалла, две независимые группы физиков добились того, что они называют квантовым переворотом времени. В этом состоянии фотон существует как в прямом, так и в обратном временном состоянии. Простыми словами, ученые доказали, что свет движется одновременно вперед и назад во времени. Эффект возникает в результате объединения двух странных принципов квантовой механики.

Первая странность — квантовая суперпозиция

Первый принцип, известный как квантовая суперпозиция, позволяет крошечным частицам существовать во многих различных состояниях или различных версиях самих себя одновременно, пока их не наблюдают. Есть простой мысленный эксперимент, который помогает понять это действительно странную концепцию. Речь идет об известном коте Шредингера.

Кот Шредингера, Научный центр, Сингапур. Фото: Sharon Hahn Darlin

В 1935 году его предложил один из создателей квантовой механики Эрвин Шредингер в ходе обсуждении физического смысла волновой функции. В рамках мысленного эксперимента кота помещают в запечатанный ящик с пузырьком яда, высвобождение которого контролирует радиоактивный распад альфа-частицы. Радиоактивный распад — это квантово-механический процесс, который происходит случайным образом.

Именно поэтому изначально невозможно узнать, что случилось с котом, который находится в суперпозиции состояний, будучи одновременно мертвым и живым. Во всяком случае, пока к процессу не подключится наблюдатель — человек, который откроет ящик и выяснит правду.

Вторая странность — квантовая симметрия

Второй принцип, который использовали ученые — CPT-инвариантность. Это это фундаментальная симметрия физических законов при преобразованиях, включающих одновременную инверсию зарядового сопряжения (Charge, С), четности (Parity, P) и времени (Time, T).

CPT — единственная комбинация C, P и T, которая является точной симметрией природы на фундаментальном уровне. Согласно этому принципу, любая система, содержащая частицы, будет подчиняться одним и тем же физическим законам. Это произойдет в даже том случае, если заряды частиц, пространственные координаты и движение во времени перевернуты, как в зеркале.

«Стрела времени»

Объединив эти два принципа, физики создали фотон, который, казалось, одновременно двигался вдоль «стрелы времени» и обратно. Это философский термин, который используется, чтобы объяснить направление и необратимость времени. Наглядно эту концепцию показывают как временную ось или стрелу. Она движется прямо и только вперед, из прошлого в будущее.

Однако эксперимент с фотоном меняет дело: физикам удалось «обмануть» время. Ученые опубликовали результаты двух экспериментов (первое, второе) на сервере препринтов arXiv. Результаты пока еще не прошли рецензирование.

Вообще, несмотря на свою логичность концепции «стрелы времени», которую люди наблюдают каждый день в макроскопическом мире, на самом деле это противоречит многим фундаментальным законам физики, уверены ученые. Они, в целом, симметричны во времени и поэтому у них нет «любимого» направления времени.

Проблема энтропии

Согласно второму закону термодинамики, что энтропия системы должна возрастать. Работая как «стрела времени», энтропия — одна из немногих величин в физике, которая заставляет время двигаться в определенном направлении.

Например, эта тенденция к росту беспорядка во Вселенной объясняет, почему легче смешивать ингредиенты, чем разделять их. Именно из-за растущего беспорядка энтропия так тесно связана с нашим ощущением времени. Знаменитая сцена в романе Курта Воннегута «Бойня номер пять» демонстрирует, как по-разному энтропия влияет на направление времени: во время Вторую мировой пули высасываются из раненых; костры «сжимаются» и обращенная вспять стрела времени уничтожает беспорядок и опустошение войны.

Схема, объясняющая энтропию. Иллюстрация: BlyumJ, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Проблема в том, что энтропия — это, прежде всего, статистическое понятие, она неприменима к отдельным субатомным частицам. Фактически, в каждом взаимодействии частиц, которое ученые наблюдали до сих пор (включая до миллиарда взаимодействий в секунду, которые происходят внутри крупнейшего в мире ускорителя атомов, Большого адронного коллайдера) поддерживается CPT-инвариантность. Таким образом, частицы, которые, кажется, движутся вперед во времени, неотличимы от тех, которые находятся в зеркальной системе античастиц, направляющихся «в прошлое». Конечно, антиматерия, которая появилась из материи во время Большого взрыва, на самом деле не движется назад во времени. Просто она ведет себя так, будто следует по стреле времени, противоположной обычной материи.

Как прошли эксперименты?

Как известно, суперпозицию, о которой мы писали выше, сложно наблюдать экспериментально. Чтобы добиться этого, обе команды физиков разработали аналогичные эксперименты по расщеплению фотона по суперпозиции двух отдельных путей через кристалл. В итоге, фотон двигался по одному пути через кристалл как обычно, но другой — сконфигурировали для изменения поляризации фотона или его точки в пространстве. Цель — заставить его двигаться так, как если бы он перемещался назад во времени.

Фотоны снаружи и внутри внутри кальцита. Фото: Ян Павелка, CC BY-SA 4.0

После рекомбинации наложенных фотонов, пропустив их через другой кристалл, физики измерили поляризацию фотонов в нескольких повторных экспериментов. В итоге, они наблюдали квантовую интерференционную картину, которая состояла из светлых и темных полос. Она могла бы существовать только в том случае, если бы фотон расщепился и двигался в обоих направлениях времени. Как объясняют авторы экспериментов, эта суперпозиция процессов, больше похожа на объект, который вращается одновременно по часовой стрелке и против нее.

Как это поможет науке?

Примечательно, что физики создали уникальный фотон с перевернутым временем просто из любопытства. Но последующие эксперименты показали — оба направления времени можно соединить с обратимыми логическими вентилями, чтобы обеспечить одновременные вычисления в любом направлении. Это открывает путь для квантовых процессоров с повышенной вычислительной мощностью.

Открытие ученых повлиет на будущее теории квантовой гравитации, которая объединит общую теорию относительности и квантовую механику (ранее «Хайтек» подробно писал об этих двух фундаментальных теориях). Она должна включать частицы со смешанной временной ориентацией, как в новых экспериментах. Если это получится, то ученые смогут изучить некоторые из самых загадочных явлений во Вселенной. Например, заглянуть в черные дыры или понять, возможны ли путешествия во времени.

источник

Случайная картинка

черная дыра

Новые комментарии

Академия Собор
ихтиосфера
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru
Индекс цитирования.