“Квантовый переворот времени” заставляет свет двигаться одновременно вперед и назад во времени

Фотоны снаружи и внутри внутри кальцита

Впервые физики заставили свет двигаться одновременно вперед и назад во времени. Новая техника может помочь ученым улучшить квантовые вычисления и понять квантовую гравитацию.

Разделяя фотон или пакет света с помощью специального оптического кристалла, две независимые команды физиков достигли того, что они называют “квантовым временным переворотом”, при котором фотон существует как в прямом, так и в обратном временных состояниях.

Эффект возникает в результате сближения двух странных принципов квантовой механики, нелогичных правил, которые управляют поведением очень малых. Первый принцип, квантовая суперпозиция, позволяет крошечным частицам существовать во многих разных состояниях или в разных версиях самих себя одновременно, пока их не будут наблюдать. Вторая симметрия — симметрия заряда, четности и обращения времени (CPT) – гласит, что любая система, содержащая частицы, будет подчиняться одним и тем же физическим законам, даже если заряды частиц, пространственные координаты и движения во времени меняются, как в зеркале.

Объединив эти два принципа, физики создали фотон, который, по-видимому, одновременно перемещался вдоль и против стрелы времени. Они опубликовали результаты своих двойных экспериментов 31 октября и 2 ноября на сервере препринтов arXiv, что означает, что результаты еще не прошли рецензирование.

“Концепция стрелы времени дает слово очевидной 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, в интервью Live Science. “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 гласит, что энтропия системы, грубый аналог ее беспорядка, должна увеличиваться. Энтропия, известная как “стрела времени”, является одной из немногих физических величин, 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 чувством времени. Знаменитая сцена из романа Курта Воннегута “Бойня номер пять” демонстрирует, насколько по-разному энтропия заставляет одно направление времени смотреть в другое, воспроизводя Вторую мировую войну в обратном порядке: пули высасываются из раненых; пожары уменьшаются, собираются в бомбы, укладываются аккуратными рядами и разделяются на составные минералы; и обращенная вспять стрела времени устраняет беспорядок и опустошение войны.

Однако, поскольку энтропия – это прежде всего статистическое понятие, оно не применимо 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 атомного дробилки, Большого адронного коллайдера, поддерживается симметрия CPT. Таким образом, частицы, которые, по-видимому, движутся вперед во времени, неотличимы от частиц в зеркальной системе античастиц, движущихся назад во времени. (Антивещество было создано вместе с веществом во время Большого взрыва и на самом деле не движется назад во времени; оно просто ведет себя так, как будто оно следует за стрелой времени, противоположной обычной материи.)

Другим фактором, играющим роль в новых экспериментах, является суперпозиция. Самой известной демонстрацией квантовой суперпозиции является кот Шредингера, мысленный эксперимент, в котором кошку помещают в запечатанную коробку с пузырьком яда, высвобождение которого вызвано радиоактивным распадом альфа-частицы. Радиоактивный распад – это квантовомеханический процесс, который происходит случайным образом, поэтому изначально невозможно узнать, что случилось с кошкой, которая находится в суперпозиции состояний, одновременно мертвой и живой, до тех пор, пока коробка не будет открыта и результат не будет замечен.

Эта суперпозиция состояний позволяет частице существовать как в прямом, так и в обратном временных состояниях одновременно, но засвидетельствовать это 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 настроен так, чтобы изменить поляризацию фотона или то, куда он указывает в пространстве, чтобы двигаться так, как если бы он двигался назад во времени.

После рекомбинации наложенных фотонов путем пропускания их через другой кристалл команда измерила поляризацию фотонов в ходе ряда повторных экспериментов. Они обнаружили квантовую интерференционную картину, узор из светлых и темных полос, который мог существовать только в том случае, если фотон был расщеплен и двигался в обоих временных направлениях.

“Суперпозиция процессов, которые мы осознали, больше похожа на объект, вращающийся по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно“, – сказал Стремберг.Исследователи создали свой фотон с переворотом во времени из интеллектуального любопытства, но последующие эксперименты показали, что временные перевороты могут быть сопряжены с обратимыми логическими элементами для обеспечения одновременных вычислений в любом направлении, что открывает путь для квантовых процессоров со значительно увеличенной вычислительной мощностью.

Теоретические возможности также вытекают из этой работы. Будущая теория квантовой гравитации, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую механику, должна включать частицы со смешанной временной ориентацией, подобные той, что была в этом эксперименте, и могла бы позволить исследователям заглянуть в некоторые из самых загадочных явлений Вселенной.

“Хороший способ выразить это – сказать, что наш эксперимент – это моделирование экзотических сценариев, в которых фотон может развиваться вперед и назад во времени“, – сказал Джулио Чирибелла, физик из Оксфордского университета, который был ведущим автором другой статьи, в интервью Live Science. “То, что мы делаем, является аналогом некоторых экспериментов, которые имитируют экзотическую физику, такую как физика черных дыр или путешествий во времени“.

Бен Тернер – штатный писатель Live Science из Великобритании.

Источник

• Ключевые слова: "Квантовый переворот времени",заставляет свет двигаться,одновременно вперед и,назад во времени