Vegyünk egy fotont, majd egy speciális optikai kristály segítségével „hasítsuk ketté”! Nagyon leegyszerűsítve erről szól az a kísérlet, melynek keretében két független fizikuscsoport elérte az általuk „kvantumidő-átfordulásnak” nevezett folyamatot, amelyben a foton az időben előre és hátrafelé is létezik – számol be róla a Live Science. A kettős kísérleten két kutatócsoport dolgozott, akik az eredményeiket október 31-én és november 2-án publikálták, de ezek még nem estek át a tudományos elbírálási folyamaton. Az eredmény eléréséhez a kvantummechanika két alapelvét kellett segítségül hívni: az első elv, a kvantum-szuperpozíció lehetővé teszi, hogy a parányi részecskék sok különböző állapotban vagy önmaguknak különböző változataiban létezzenek egyszerre, amíg meg nem figyelik őket. A második – a töltés, a paritás és az időfordítás (CPT) szimmetriája – kimondja, hogy minden részecskéket tartalmazó rendszer ugyanazoknak a fizikai törvényeknek engedelmeskedik, még akkor is, ha a részecskék töltéseit, térbeli koordinátáit és időbeni mozgását úgy fordítják meg, mintha kvázi tükröznék őket. E két elv kombinálásával a fizikusok olyan fotont hoztak létre, amely úgy tűnt, hogy egyszerre halad az időben előrefelé és hátra.

Létrejöhetett egy anti-univerzum, ahol az idő visszafelé halad és ami magyarázatot ad a sötét anyagra Az ősrobbanáskor keletezhetett egy anti-univerzum is, amelynek létezése megmagyarázhatja, miért nem találtak még rá az ősrobbanás után keletkezett gravitációs háttérhullámokra, miért több az anyag a világegyetemben, mint az antianyag és hogy mi az a sötét anyag.

Mint azt az egyik csoport vezetője elmondta a Live Science-nek, mindez azért tűnhet furcsának, mert az általunk ismert makroszkopikus világban van az időnek egy – mondjuk így – preferált iránya, tehát hogy előrefelé halad. Ez azonban a fizika több alapvető törvényével is ellentétes, mivel ezek alapján az idő szimmetrikus, és nincs egy meghatározott irány, amibe folynia kellene.

Mindennek látszólag azonban ellentmond a termodinamika második főtétele, ami szerint „a természetben lejátszódó folyamatok többsége egy irányban zajlik le, fordított irányban maguktól nem mennek végbe (külső hatás egyes esetekben megfordíthatja a folyamatot)”. A második főtétel lényege az entrópia, ami azon kevés mennyiségek egyike a fizikában, amely kijelöli az idő folyását egy bizonyos irányba. Az entrópia felelős azért mondjuk, hogy ha főzünk egy csésze kávét, azt már nem tudjuk visszaalakítani vízzé és kávébabbá – ami az univerzum egy általános természete, tehát hogy növekszik benne a rendezetlenség. Az entrópia pedig komoly mértékben felelős azért, hogy mi mit értünk magától értetődően azon, hogy merre kellene haladnia az időnek.

Mivel azonban az entrópia elsősorban statisztikai fogalom, nem vonatkozik az egyes szubatomi részecskékre. Valójában a tudósok eddig minden részecske-kölcsönhatásban megfigyelték – beleértve azt a másodpercenként akár 1 milliárd kölcsönhatást is, amely Nagy Hadronütköztetőben (LHC) megy végbe –, hogy a korábban említett a CPT szimmetria megmarad. Tehát az időben előre haladó részecskék megkülönböztethetetlenek az időben visszafelé mozgó antirészecskék tükrözött rendszerében lévőktől.

A másik elv a most szóban forgó kísérletekben a szuperpozíció. A kvantum-szuperpozíció leghíresebb demonstrációja, mint az ismeretes, Schrödinger macskája. Ez utóbbi egy közismert gondolatkísérlet, aminek gyorsan leírjuk azért a lényegét: egy macskát egy lezárt dobozba helyeznek egy fiola méreggel. A fiola kinyílását egy alfa-részecske radioaktív bomlása váltja ki – a radioaktív bomlás egy kvantummechanikai folyamat, amely véletlenszerűen megy végbe, és épp ezért nem lehet tudni, hogy mi történt a macskával, amely szuperpozícióban van: egyszerre halott és egyszerre él, amíg a dobozt fel nem nyitják és az eredményt meg nem figyelik.

Ez a szuperpozíció teszi lehetővé azt is, hogy a részecskék egyidejűleg létezzenek az időben előrefelé és hátrafelé. Mindezt azonban kísérleti úton is megfigyelni legalábbis komplikált feladat. A két csapat hasonló metódust használt: egy fotont „hasítottak ketté” két különálló útvonal segítségével, amely egy kristályon vezetett keresztül – pontosabban tehát a foton számára két útvonal létezett: egyik előrefelé, a másik útvonal viszont megváltoztatta a foton polarizációját, vagyis azt, hogy a térben merrefelé irányul a mozgása, és ezért úgy tűnhetett, mintha az időben visszafelé haladna. Amíg a foton szuperponált állapotban volt, addig mindkét útvonal egyformán létezett a számára, éppen ahogy a macska is egyszerre volt élő és holt. Miután a szuperponált fotonokat egy másik kristályon keresztül rekombinálták, a csapat számos ismételt kísérlet során mérte a foton polarizációját. Ekkor fel is fedeztek egy olyan kvantuminterferencia mintát, amely világos és sötét csíkokból állt – ilyen minta azonban csak akkor alakulhatott ki, ha a foton mintegy kettéhasadt, és mindkét irányban mozgott.

Mindez segíthet tehát a kvantummechanika több kérdésének a megválaszolásában is, de gyakorlati haszna is akad: ezek az „kvantumidő-átfordítások” ugyanis párosíthatóak megfordítható logikai kapukkal, hogy lehetővé tegyék az egyidejű számítást mindkét irányban, így megnyitva az utat a jelentősen megnövelt feldolgozási teljesítménnyel rendelkező kvantumprocesszorok számára.

(Kép: Pixabay/geralt)