Kanadische Wissenschaftler der University of Toronto aus der Gruppe von Aephraim Steinberg haben gemeinsam mit dem Theoretiker Howard Wiseman von der Griffith University in Australien die Realität eines paradoxen Quanteneffekts experimentell bestätigt. Photonen, die eine Atomwolke erfolgreich durchqueren, verursachen bei diesen Atomen im Durchschnitt eine negative Anregungszeit.
Worum es bei dem Experiment geht
Die Forscher schickten extrem schwache Impulse von Resonanzlicht – im Grunde einzelne Photonen – durch eine Wolke aus kalten Rubidiumatomen. Auf der Resonanzfrequenz sollten die Atome die Photonen eigentlich absorbieren und wieder emittieren, also vorübergehend in einen angeregten Zustand übergehen.
Die meisten Photonen werden dabei jedoch gestreut. Doch ein kleiner Teil gelangt hindurch. Die Frage war, wie viel Zeit diese passierenden Photonen als Anregung innerhalb der Atome „verbringen“.
Eine herkömmliche Messung hätte den Effekt aufgrund des Quanten-Zeno-Effekts zerstört. Daher griffen die Physiker auf sogenannte schwache Messungen zurück: Ein weiterer, extrem schwacher Hilfslaser wurde durch die Wolke geschickt, um anhand einer minimalen Phasenverschiebung die durchschnittliche Anregung der Atome zu bestimmen. Dies greift kaum in den Prozess ein, erfordert jedoch eine gewaltige Statistik.
Nach etwa zehn Millionen Zyklen – was Dutzenden Messstunden entspricht – und einer Post-Selektion, bei der nur jene Fälle ausgewählt wurden, in denen das Photon die Wolke tatsächlich durchquerte und registriert wurde, erhielten die Wissenschaftler ein klares Ergebnis.
Was „negative Zeit“ bedeutet – einfach erklärt
Die „negative Zeit“ beschreibt hier die durchschnittliche Zeitspanne, die Atome im angeregten Zustand verbrachten, resultierend aus der Wechselwirkung mit genau jenen Photonen, die das Medium erfolgreich passiert haben.
Dieser Wert fiel negativ aus und lag beispielsweise bei etwa –0,8 der üblichen positiven Anregungszeit für schmalbandige Impulse.
Dies bedeutet ausdrücklich nicht, dass:
- Photonen in der Zeit zurückgereist sind;
- die Kausalität verletzt wurde;
- die Atome bereits vor dem Eintreffen des Photons im herkömmlichen Sinne angeregt wurden.
Vielmehr bedeutet es Folgendes:
Früher wurde eine negative Gruppenlaufzeit, bei der der Peak eines Lichtimpulses das Medium früher als erwartet verlässt, oft bloß durch eine Verformung der Impulsform erklärt, bei der das Medium den hinteren Teil abschneidet. Deshalb galt dieser Effekt lange Zeit eher als mathematisches Artefakt und nicht als reale physikalische Interaktionszeit.
In dem neuen Experiment stellten die Forscher den Atomen selbst die Frage: „Und wie lange wart ihr aufgrund des durchgelaufenen Photons eigentlich angeregt?“
Die Atome antworteten: für eine negative Zeit. Diese Antwort deckte sich exakt mit der negativen Gruppenlaufzeit, die anhand der Ankunft der Photonen gemessen wurde.
Somit ist die negative Zeit keine optische Täuschung der Impulsform. Sie besitzt eine direkte physikalische Entsprechung im Zustand der Materie. In der Quantenmechanik kann die mittlere Interaktionszeit für erfolgreich passierte Photonen aufgrund der Interferenz von Wahrscheinlichkeitsamplituden durch schwache Messwerte tatsächlich negative Werte annehmen.
Einfache Erklärung der Kernaussage: In der Quantenwelt verhält sich ein Photon nicht wie eine feste Kugel, sondern wie eine Wahrscheinlichkeitswelle. Beim Durchqueren der Atomwolke interagiert diese Quantenwelle mit den Atomen und erzeugt einen Interferenzeffekt durch die Überlagerung von Wellen. Wenn ein Photon das Medium erfolgreich passiert, summieren sich seine Welleneigenschaften so, dass die Wahrscheinlichkeit, das Atom im angeregten Zustand vorzufinden, mathematisch ins Negative sinkt.
Die „negative Zeit“ ist hier eine spezifische Quantengröße, die zeigt, wie die Welleninterferenz die Interaktionszeit für erfolgreich passierte Teilchen gewissermaßen abzieht.
Warum das wichtig ist
Dies bestätigt, dass die negative Gruppenlaufzeit eine reale physikalische Eigenschaft von Quantenlicht und Materie ist und kein bloßer mathematischer Trick. Der Effekt wurde theoretisch bereits vor langer Zeit vorhergesagt und 1993 in einem Experiment zum Tunneln von Photonen beobachtet, an dem Steinberg ebenfalls beteiligt war, doch damals wurde die physikalische Bedeutung noch angezweifelt.
Heute sind diese Zweifel ausgeräumt: Die Atome spüren diese negative Zeit tatsächlich.
Die Wissenschaftler betonen dabei: Es gibt keine Zeitmaschine. Dies ist eine Besonderheit der Standard-Quantenphysik bei der Anwendung schwacher Messungen und Post-Selektion. Im Gesamtbild, welches die gestreuten Photonen einschließt, bleiben die Kausalität und die generelle Positivität der Zeit gewahrt.
Für die Zukunft plant das Team, die gestreuten Photonen genauer zu untersuchen, um zu verstehen, wie sich positive und negative Zeit in der Gesamtstatistik gegenseitig kompensieren.
