Могут ли фотоны двигаться вперед и назад во времени?

Законы, по которым работает Вселенная, весьма странные. И хотя физики смогли объяснить взаимодействие наблюдаемых небесных тел, на уровне элементарных частиц все намного сложнее. Так, сразу два отдельных исследования, проведенных осенью 2022 года, продемонстрировали так называемый «квантовый переворот времени» – эксперимент, в котором фотоны могут одновременно двигаться вперед и назад во времени. И хотя речь не идет о создании Делориана, это открытие может помочь в разработке квантовых компьютеров и создании теории квантовой гравитации (той самой теории всего). Трудно поверить, но в ходе работы физикам удалось расщепить фотон (квант самого света) и наблюдать его как в прямом, так и в обратном временном состоянии, в очередной раз демонстрируя многочисленные странности квантового мира. Исследователи отмечают, что в основе проведенных экспериментов лежат самые загадочные принципы квантовой механики.

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

Странный квантовый мир

Квантовая механика объясняет как крошечные элементарные частицы взаимодействуют между собой создавая окружающий мир. И хотя мы практически не сталкиваемся с квантовым миром в повседневной жизни, представить современную жизнь без нее невозможно, из-за чего ученые уделяют ей много времени, постепенно раскрывая различные области ее применения.

Ведущим принципом квантовой механики является квантовая суперпозиция – явление, продемонстрированное в ходе двухщелевого эксперимента, результат которого показал, что частицы могут одновременно находиться в двух или во «всех» возможных местах одновременно. Лучше прочего этот феномен описал физик Эрвин Шредингер в своем мысленном эксперименте с кошкой и коробкой (подробнее мы рассказывали здесь).

В квантовом мире время может одновременно протекать в нескольких направлениях.

Но квантовая суперпозиция – не единственный феномен физики элементарных частиц. Альберт Эйнштейн, к примеру, не мог смириться с таким явлением как квантовая запутанность, которую он называл «сверхъестественной». И его можно понять – как могут элементарные частицы, находясь вдали друг от друга, оставаться взаимозависимыми?

Напомним, что квантовая запутанность возникает когда две или более частицы поддерживают между собой связь – то, что происходит с одной частицей, моментально оказывает влияние на другую, несмотря на расстояние между ними. Согласитесь, объяснить это классическим способом невозможно, как, собственно, и должным образом представить. И тем не менее эти два принципа – суть квантовой механики.

Кошка в коробке

Квантовый эксперимент, в котором частица света может одновременно двигаться вперед и назад во времени, является еще одним примером странностей квантового мира. В ходе двух не связанных между собой экспериментах физикам удалось продемонстрировать явление под названием
«квантовый переворот времени», в основе которого, как вы могли догадаться, лежат квантовая суперпозиция и квантовая запутанность.

Совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот называется квантовой суперпозицией

Так как квантовая суперпозиция позволяет таким частицам как фотоны существовать в разных состояниях, а запутанность связывает их между собой, «квантовый переворот времени» позволяет фотонам существовать как в прямом, так и в обратном временных состояниях. Это означает, что частицы подчиняются одним и тем же законам физики, даже когда они находятся в перевернутом (или зеркальном) состоянии.

Объединив две основные концепции квантовой механики физики из Оксфордского университета расширили математические представления о том, как может выглядеть суперпозиция процессов, одновременно идущих вперед и назад во времени. (Суперпозиция процессов по мнению физиков, больше похожа на объект, вращающийся одновременно по и против часовой стрелки).

Мы воспринимаем время как стрелу, указывающую вперед. Но что, если это не так?

Представить этот «квантовый переворот времени» можно вновь воспользовавшись кошкой и коробкой – будучи ни живой ни мертвой (т.е. в состоянии суперпозиции), кошка в коробке движется в прошлое и будущее одновременно. Да, кажется безумием. Но только на первый взгляд.

Квантовый переворот времени

Как пишет один из авторов нового исследования Эрик Лутц из Штутгартского университета, если квантовая механика допускает суперпозицию состояний, почему нельзя допустить суперпозицию процессов? Удивительно, но это утверждение удалось доказать в ходе проведенного эксперимента.

Выбрав фотон в качестве испытуемой частицы, физики успешно расщепили его с помощью специального оптического кристалла, при котором фотон существует в разных временных состояниях. Обе команды, как сообщает Live Science, наблюдали как расщепленная частица света проходит через кристалл. Повторив этот эксперимент необходимое количество раз, обе команды статистически доказали, что расщепленная частица может двигаться сразу в двух направлениях времени — прямом и обратном.

Квантовый компьютер – тихнологии будущего

Мы наблюдали 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, – говорится в работе.

В будущем это открытие, как отмечают его авторы, может помочь в создании теории всего (объединив квантовую механику с нашим понимаем гравитации), а также может оказаться полезным для квантовых вычислений.

Проведенные эксперименты в конечном итоге позволят исследователям наблюдать самые загадочные явления во Вселенной, став ключом к пониманию экзотической физики черных дыр и путешествий во времени и пространстве. Полученные результаты противоречат многим фундаментальным законам физики, которые в целом симметричны и не имеют предпочтительного направления времени (что ставит под сомнение известную и общепринятую сегодня концепцию стрелы времени).

Свет может одновременно вести себя и как частица и как волна

Отметим, что обе работы были недавно опубликованы на сервере препринтов arXiv и пока не прошли экспертную оценку (рецензирование). Ознакомиться с текстом исследований можно здесь и здесь. Напомним также, что новым этапом в развитии квантовых технологий может стать применение так называемых кристаллов времени, о чем мы ранее подробно рассказывали.