우주의 가장 신비한 현상 (양자 시간 반전)

시간이 반전된 광자는 '백 투 더 퓨처'의 무대를 재연장하는 데 사용될 수는 없지만, 우주의 가장 신비로운 현상을 알아내는 데 도움이 될 수 있습니다. 처음으로 물리학자들은 빛이 시간의 앞뒤로 동시에 움직이는 것처럼 보이게 만들었습니다. 새로운 기술은 과학자들이 양자 컴퓨팅을 개선하고 양자 중력을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 특수 광학 결정을 사용하여 광자 또는 빛 패킷을 분할함으로써 두 개의 독립적인 물리학자 팀이 '양자 시간 반전'이라고 설명하는 현상을 달성했습니다. 여기서 광자는 순방향 및 역방향 시간 상태로 존재합니다. 그 효과는 아주 작은 것의 행동을 지배하는 반직관적인 규칙인 양자역학의 두 가지 이상한 원리가 수렴된 결과입니다.

 

첫 번째 원리인 양자 중첩은 미세한 입자가 관찰될 때까지 동시에 여러 다른 상태 또는 다른 버전으로 존재할 수 있게 해 줍니다. 두 번째, 전하 패리티 및 시간 역전 대칭성은 입자를 포함하는 모든 시스템이 입자의 전하, 공간 좌표 및 시간에 따른 움직임이 마치 거울을 통해 뒤집히는 경우에도 동일한 물리적 법칙을 따른다는 것을 나타냅니다. 이 두 가지 원리를 결합함으로써 물리학자들은 시간의 화살을 따라 동시에 이동하는 것처럼 보이는 광자를 생성했습니다. 그들은 두 차례에 걸쳐 사전 인쇄 서버 과학 학술지에 쌍둥이 실험 결과를 발표했는데 이는 결과가 아직 동료 검토를 거치지 않았음을 의미합니다.

 

논문 중 하나의 첫 번째 저자이자 비엔나 대학의 물리학자인 테오도르 스트룀베르크는 "시간의 화살이라는 개념은 우리가 살고 있는 거시적 세계에서 관찰되는 시간의 명백한 단방향성을 표현하는 것이다"라고 말하며, "이것은 실제로 시간 대칭적이어서 선호하는 시간 방향이 없는 물리학의 많은 기본 법칙과 긴장 관계에 있다"라고 설명했습니다. 열역학 제2법칙은 시스템의 무질서와 대략적으로 유사한 엔트로피가 증가해야 한다고 명시합니다. '시간의 화살'로 알려진 엔트로피는 특정 방향으로 가는 시간을 설정하는 물리학의 몇 안 되는 양 중 하나입니다. 우주에서 무질서가 커지는 이러한 경향은 재료를 분리하는 것보다 혼합하는 것이 더 쉬운 이유를 설명합니다. 엔트로피가 우리의 시간 감각과 밀접하게 결합되는 것도 이러한 성장하는 장애를 통해서입니다.

 

커트 보네거트의 소설 '5번째 도살장'의 유명한 장면은 제2차 세계 대전을 역으로 진행하여 엔트로피가 시간의 한 방향을 다른 방향으로 보이게 만드는 방법을 보여줍니다. 부상당한 사람에게서 총알이 빨려갑니다. 불은 줄어들고, 모아져 폭탄이 되고, 일직선으로 쌓여 복합 광물로 분리됩니다. 그리고 시간의 역방향 화살표는 전쟁의 무질서와 파괴를 되돌립니다. 그러나 엔트로피는 주로 통계적 개념이므로 단일 아원자 입자에는 적용되지 않습니다. 실제로, 세계 최대의 원자 분쇄기인 대형 강입자 충돌기 내부에서 발생하는 초당 최대 10억 개의 상호 작용을 포함하여 과학자들이 지금까지 관찰한 모든 입자 상호 작용에서 CPT 대칭이 유지됩니다. 따라서 시간이 지남에 따라 앞으로 이동하는 것처럼 보이는 입자는 시간이 지남에 따라 뒤로 이동하는 거울 반입자 시스템의 입자와 구별할 수 없습니다. 반물질은 빅뱅 동안 물질로 생성되었으며, 실제로 시간이 거꾸로 이동하지 않습니다. 마치 일반 물질과 반대 방향의 시간 화살표를 따라가는 것처럼 동작합니다.

 

새로운 실험에서 작용하는 또 다른 요소는 중첩입니다. 양자 중첩에 대한 가장 유명한 시연은 슈뢰딩거의 고양이로, 고양이를 알파 입자의 방사성 붕괴에 의해 방출되는 독약병이 담긴 봉인된 상자 안에 넣는 사고 실험입니다. 방사성 붕괴는 무작위로 발생하는 양자 역학적 과정이므로, 죽은 상태와 살아있는 상태가 중첩된 상태에 있는 고양이에게 상자가 열리고 결과가 관찰되기 전까지는 처음에는 고양이에게 무슨 일이 일어났는지 아는 것이 불가능합니다. 이러한 상태 중첩을 통해 입자는 순방향 및 역방향 시간 상태 모두에 동시에 존재할 수 있지만, 이러한 위업을 실험적으로 목격하는 것은 까다롭습니다. 이를 달성하기 위해 두 팀은 결정을 통과하는 두 개의 별도 경로의 중첩을 따라 광자를 분할하는 유사한 실험을 고안했습니다. 중첩된 광자는 정상적으로 결정을 통과하는 하나의 경로로 이동했지만, 다른 경로는 광자의 편광을 변경하거나 공간을 가리키는 위치를 변경하여 마치 시간을 거꾸로 이동하는 것처럼 이동하도록 구성되었습니다.

 

연구팀은 중첩된 광자를 다른 결정을 통해 보내 재결합한 후 여러 번의 반복 실험을 통해 광자 편광을 측정했습니다. 그들은 광자가 분리되어 두 시간 방향으로 움직이는 경우에만 존재할 수 있는 밝고 어두운 줄무늬 패턴인 양자 간섭 패턴을 발견했습니다. 스트롬베르는 "우리가 실현한 프로세스의 중첩은 시계 방향과 시계 반대 방향으로 동시에 회전하는 물체와 더 유사하다"라고 말했습니다. 연구원들은 지적 호기심으로 시간이 반전된 광자를 만들었지만, 후속 실험에서 시간이 반전되는 것으로 나타났습니다. 가역 논리 게이트와 결합하여 어느 방향에서든 동시 계산이 가능하므로 처리 능력이 크게 향상된 양자 프로세서의 길을 열 수 있으며 이론적 가능성도 작업에서 싹틉니다.

 

일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합하는 미래의 양자 중력 이론은 이 실험에서와 같이 혼합된 시간 방향의 입자를 포함해야 하며, 이를 통해 연구자들은 우주의 가장 신비한 현상 중 일부를 들여다볼 수 있습니다. 다른 논문의 주 저자이자 옥스퍼드 대학의 물리학자인 줄리오 치리벨라는 "우리의 실험은 광자가 시간에 따라 앞뒤로 진화할 수 있는 이국적인 시나리오의 시뮬레이션이라고 말하는 것이 좋다"라며, 과학 학술지에 "우리가 하는 일은 블랙홀의 물리학이나 시간 여행과 같은 이국적인 물리학을 시뮬레이션하는 일부 실험과 유사하다"라고 말했습니다.