«Квантовый переворот времени» заставляет свет двигаться одновременно вперед и назад во времени

Перевернутый во времени фотон нельзя использовать для повторной постановки «Назад в будущее», но он может помочь нам понять некоторые из самых загадочных явлений во Вселенной.

Физики впервые показали, что свет движется одновременно вперед и назад во времени. Новая техника может помочь ученым улучшить квантовые вычисления и понять квантовую гравитацию.

Разделив фотон или пакет света с помощью специального оптического кристалла, две независимые группы физиков добились того, что они называют «квантовым переворотом времени», при котором фотон существует как в прямом, так и в обратном временном состоянии.

Эффект возникает в результате схождения двух странных принципов квантовой механики , противоречащих интуиции правил, управляющих поведением очень маленьких. Первый принцип, квантовая суперпозиция, позволяет крошечным частицам существовать во многих различных состояниях или различных версиях самих себя одновременно, пока их не наблюдают. Вторая — симметрия заряда, четности и обращения времени (CPT) — утверждает, что любая система, содержащая частицы, будет подчиняться одним и тем же физическим законам, даже если заряды частиц, пространственные координаты и движения во времени перевернуты, как в зеркале.

Объединив эти два принципа, физики создали фотон, который, казалось, одновременно двигался вдоль и поперек стрелы времени. Они опубликовали результаты своих двойных экспериментов 31 октября и 2 ноября на сервере препринтов arXiv, а это означает, что результаты еще не прошли рецензирование.

«Концепция стрелы времени дает слово кажущейся однонаправленности времени, которую мы наблюдаем в макроскопическом мире, в котором мы живем», — сказал Теодор Стремберг , физик из Венского университета, который был первым автором одной из статей. Живая наука. «На самом деле это противоречит многим фундаментальным законам физики, которые в целом симметричны во времени и поэтому не имеют предпочтительного направления времени».

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия системы, грубый аналог ее беспорядка, должна возрастать. Известная как «стрела времени», энтропия — одна из немногих величин в физике, которая заставляет время двигаться в определенном направлении.

Эта тенденция к росту беспорядка во Вселенной объясняет, почему легче смешивать ингредиенты, чем разделять их. Именно из-за этого растущего беспорядка энтропия так тесно связана с нашим ощущением времени. Знаменитая сцена в романе Курта Воннегута «Бойня номер пять» демонстрирует, как по-разному энтропия заставляет одно направление времени смотреть на другое, изображая Вторую мировую войну наоборот: пули высасываются из раненых; костры сжимаются, собираются в бомбы, складываются аккуратными рядами и разделяются на сложные минералы; и обращенная вспять стрела времени уничтожает беспорядок и опустошение войны.

Однако, поскольку 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 1 миллиарда взаимодействий в секунду, которые происходят внутри крупнейшего в мире ускорителя атомов, Большого адронного коллайдера, симметрия СРТ поддерживается. Таким образом, частицы, кажущиеся движущимися вперед во времени, неотличимы от частиц в зеркальной системе античастиц, движущихся назад во времени. (Антиматерия была создана из материи во время Большого взрыва и на самом деле не движется назад во времени; она просто ведет себя так, как если бы следовала по стреле времени, противоположной обычной материи.)

Другим фактором, действующим в новых экспериментах, является суперпозиция. Самая известная демонстрация квантовой суперпозиции — это кот Шредингера, мысленный эксперимент, в котором кота помещают в запечатанный ящик с пузырьком яда, высвобождение которого вызывается радиоактивным распадом альфа-частицы. Радиоактивный распад — это квантово-механический процесс, происходящий случайным образом, поэтому изначально невозможно узнать, что случилось с кошкой, находящейся в суперпозиции состояний, одновременно мертвой и живой, до тех пор, пока ящик не будет открыт и результат не будет наблюдаться.

Эта суперпозиция состояний позволяет частице одновременно существовать как в прямом, так и в обратном временном состоянии, но наблюдать этот подвиг экспериментально сложно. Чтобы достичь этого, обе команды разработали аналогичные эксперименты по расщеплению фотона по суперпозиции двух отдельных путей через кристалл. Наложенный фотон двигался по одному пути через кристалл как обычно, но другой путь был сконфигурирован для изменения поляризации фотона или его точки в пространстве, чтобы он двигался так, как если бы он двигался назад во времени.

После рекомбинации наложенных фотонов, пропустив их через другой кристалл, команда измерила поляризацию фотонов в ряде повторных экспериментов. Они обнаружили квантовую интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос, которая могла бы существовать только в том случае, если бы фотон был расщеплен и двигался в обоих направлениях времени.

«Суперпозиция процессов, которую мы поняли, больше похожа на объект, вращающийся одновременно по и против часовой стрелки», — сказал Стрёмберг. Исследователи создали свой фотон с перевернутым временем из интеллектуального любопытства, но последующие эксперименты показали, что время могут быть соединены с обратимыми логическими вентилями, чтобы обеспечить одновременные вычисления в любом направлении, открывая тем самым путь для квантовых процессоров со значительно повышенной вычислительной мощностью.

Теоретические возможности также вытекают из работы. Будущая теория квантовой гравитации, которая объединит общую теорию относительности и квантовую механику, должна включать частицы со смешанной временной ориентацией, как в этом эксперименте, и может позволить исследователям заглянуть в некоторые из самых загадочных явлений во Вселенной.

«Хорошо было бы сказать, что наш эксперимент — это моделирование экзотических сценариев, в которых фотон может развиваться вперед и назад во времени», — Джулио Чирибелла , физик из Оксфордского университета, который был ведущим автором другой статьи. , рассказал Live Science. «То, что мы делаем, является аналогом некоторых экспериментов, моделирующих экзотическую физику, например, физику черных дыр или путешествия во времени».

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.