Невероятен експеримент в Торонто: физиците регистрираха отрицателно време

Учени наблюдаваха фотони, които напускат даден материал по-рано, отколкото навлизат в него.

Изследване на учени от Университета в Торонто демонстрира съществуването на „отрицателно време“ в квантовите процеси. В експеримента физиците са наблюдавали как фотоните, вълновите частици на светлината, могат да напуснат даден материал, преди да навлязат в него, което е първото експериментално потвърждение на явлението отрицателно време.

Квантовата физика отдавна познава някои странни явления, като например способността на атомите и молекулите да се държат като частици или вълни, както и така нареченото „призрачно действие на разстояние“, при което частиците взаимодействат помежду си на огромни разстояния. Към този списък се добавя и новото откритие на екип, ръководен от Даниела Ангуло: фотоните могат да прекарат отрицателно време, пътувайки през облак от охладени атоми. С други думи, изглежда, че фотоните напускат материала още преди да са влезли в него.

„Беше необходимо много време, за да направим експеримента, но сега вече констатираме, че фотоните могат да накарат атомите да изглеждат във възбудено състояние за отрицателно количество време“, пише един от участниците в изследването, физикът Ефраим Щайнберг от Университета в Торонто, в публикация в платформата X (бившата Twitter).

Изследването е публикувано в сървъра за предварителни публикации arXiv.org на 5-ти септември 2024 г. и все още не е рецензирано.

Идеята за подобен експеримент е възникнала още през 2017 г. По това време Щайнберг и неговият колега, докторантът Джосая Синклер, се интересуват от взаимодействието между светлината и материята, по-конкретно от процеса на възбуждане на атомите. Когато фотоните преминават през дадена среда и се поглъщат, електроните на атомите преминават на по-високо енергийно ниво. Когато се върнат в първоначалното си състояние, атомите излъчват погълнатата енергия като повторно излъчени фотони, което води до забавяне на преминаването на светлината през материала.

Екипът на Синклер се стреми да измери това забавяне и да установи дали то зависи от това дали фотонът е погълнат от атомите или преминава през тях, без да взаимодейства. „По онова време не знаехме отговора на този въпрос, въпреки че той изглеждаше като елементарен въпрос за фундаменталната наука“, отбелязва Синклер. Оказва се обаче, че сред учените няма консенсус по този въпрос. На някои ефектът им се струвал твърде странен и неинтуитивен и дори го смятали за неуместен за описанието на физичните свойства на светлината.

След тригодишно планиране екипът разработва инсталация за проверка на този въпрос в лабораторни условия. Експериментите включват пропускане на фотони през облак от свръхстудени рубидиеви атоми и измерване нивото на възбуждане на атомите. Резултатите от експериментите се оказаха изненадващи: понякога фотоните преминават през атомите, без да се разсейват, но атомите се възбуждат по същия начин, както ако бяха погълнали фотоните. Още по-изненадващ е фактът, че когато фотоните са били погълнати, повторното им излъчване е ставало почти мигновено, много преди атомите да се върнат в първоначалното си състояние. Изглежда, че фотоните напускат атомите по-бързо от очакваното.

След това екипът се обединява с теоретика Хауърд Уайзман от университета „Грифит“ в Австралия, за да предложи обяснение на явлението. Резултатът е теоретична рамка, която показва, че времето, което излъчените фотони прекарват във възбуденото състояние на атома, напълно съвпада с очакваното групово закъснение на светлината – дори в случаите, когато е изглеждало, че фотоните са били излъчени твърде рано, преди възбуждането на атомите да е приключило.

За да се разбере това странно явление, фотоните трябва да се разглеждат като квантови обекти, които взаимодействат с атомите в рамките на вероятностен диапазон от времеви стойности. Тези стойности могат да включват случаи, в които преминаването на фотон през атом изглежда мигновено, или дори случаи, в които фотонът, колкото и парадоксално да звучи, завършва преминаването си през атоми преди възбуждането на атомите да е прекратено, което води до отрицателна стойност на времето.

„Бяхме напълно изненадани от това прогнозиране“, признава Синклер, визирайки как груповото забавяне съвпада с времето, през което фотоните са били във възбудено състояние на атомите. „След като се убедихме, че не грешим, Щайнберг и екипът започнаха да планират последващ експеримент, за да проверят тази прогноза и да разберат дали теорията се потвърждава.“

Последващият експеримент, който Ангуло ръководи, може да бъде разбран, като се разгледат двата начина, по които могат да се разпространяват фотоните. В единия случай фотонът изобщо не взаимодейства с атома, а просто преминава през него, без да остави следа. Във втория случай фотонът взаимодейства с атома, възбужда го и след това се излъчва отново. Проблемът е, че е невъзможно да се определи точно кой от тези сценарии е настъпил във всеки отделен случай.

Щайнберг отбелязва, че в квантовата механика двата резултата могат да настъпят едновременно, при условия на суперпозиция. Едно измервателно устройство може да регистрира два резултата едновременно: както нулева, така и положителна стойност. Но понякога измервателното устройство записва състояние, което прилича не на „нула плюс нещо положително“, а на „нула минус нещо положително“, което води до отрицателна стойност на времето.

Резултатите от експеримента на Ангуло показват, че фотоните преминават през атомите по-бързо, когато те са възбудени, отколкото когато остават в основното си състояние. Това явление не нарушава теорията на относителността на Айнщайн, тъй като фотоните не предават информация по-бързо от скоростта на светлината.

Джосая Синклер обяснява, че отрицателното забавяне на времето не е парадокс в класическия смисъл на думата. Ако се създаде квантово устройство, което да измерва времето, прекарано от атомите във възбудено състояние, стрелката на такъв часовник в някои случаи ще се движи назад. В резултат на това времето, през което атомите поглъщат фотони, би изглеждало отрицателно.

Въпреки че това явление е зашеметяващо, то не променя представите ни за времето, а показва, че квантовият свят продължава да ни изненадва със своите загадки.