פיזיקאים מדדו ישירות "זמן שלילי" באינטראקציה קוונטית בין פוטונים לאטומים. אישור ניסיוני.

מדענים קנדים מאוניברסיטת טורונטו (הקבוצה של אפרים שטיינברג), בשיתוף עם התיאורטיקן הווארד וייזמן מאוניברסיטת גריפית' (אוסטרליה), אישרו ניסיונית את המציאות של אפקט קוונטי פרדוקסלי. פוטונים שעוברים בהצלחה דרך ענן אטומים גורמים בממוצע לאטומים אלו ל זמן עירור שלילי.

מהות הניסוי

המדענים שלחו פולסים חלשים מאוד של אור תהודתי (למעשה, פוטונים) דרך ענן של אטומי רובידיום קרים. בתדר התהודה, האטומים אמורים לבלוע ולפלוט מחדש פוטונים, כלומר לעבור זמנית למצב מעורר.

רוב הפוטונים מתפזרים בתהליך זה. אך חלק קטן עובר דרך הענן. השאלה הייתה כמה זמן הפוטונים שעברו "מבלים" בתוך האטומים בצורה של עירור.

מדידה רגילה הייתה הורסת את האפקט (אפקט זנון הקוונטי). לכן השתמשו ב מדידות חלשות: דרך הענן העבירו לייזר עזר חלש מאוד נוסף, ועל פי שינוי זעיר במופע שלו קבעו עד כמה האטומים מעוררים בממוצע. זה כמעט אינו מתערב בתהליך, אך דורש סטטיסטיקה עצומה.

לאחר כעשרות מיליוני מחזורים (עשרות שעות של מדידות) וסלקציה מאוחרת (בחירה רק של אותם מקרים שבהם הפוטון אכן עבר דרך הענן וזוהה), המדענים קיבלו תוצאה ברורה.

מהו "זמן שלילי" – במילים פשוטות

"זמן שלילי" כאן הוא הזמן הממוצע שהאטומים בילו במצב מעורר עקב אינטראקציה דווקא עם אותם פוטונים שעברו בהצלחה דרך הענן.

הוא התקבל כשלילי (למשל, כ-0.8 מזמן העירור החיובי הרגיל עבור פולסים צרי-סרט).

זה לא אומר ש:

• הפוטונים נעו אחורה בזמן;
• הסיבתיות הופרה;
• האטומים עוררו "לפני" הגעת הפוטון במובן הרגיל.

זה אומר את הדבר הבא:

בעבר, השהיית קבוצה שלילית (כאשר שיא פולס האור יוצא מהתווך מוקדם ממה ש"אמור") הוסברה לעיתים קרובות פשוט כשינוי צורת הפולס: התווך "חותך" את החלק האחורי, ורק החזית הקדמית עוברת. לכן נראה היה שמדובר בארטיפקט מתמטי, ולא בזמן אינטראקציה פיזיקלי אמיתי.

בניסוי החדש, המדענים שאלו את האטומים עצמם: "ואתם, כמה זמן הייתם במצב עירור בגלל הפוטון שעבר?"

האטומים השיבו: זמן שלילי. ותשובה זו תאמה במדויק את השהיית הקבוצה השלילית, שנמדדה לפי הגעת הפוטונים.

לפיכך, זמן שלילי אינו אשליה של צורת הפולס. יש לו ביטוי פיזיקלי ישיר במצב החומר. במכניקה קוונטית (באמצעות ערכים חלשים), "זמן האינטראקציה" הממוצע עבור פוטונים שעברו בהצלחה אכן יכול להיות שלילי בשל התאבכות של אמפליטודות הסתברות.

הסבר פשוט של המהות: בעולם הקוונטי, פוטון אינו מתנהג ככדור מוצק, אלא כגל הסתברות. במעבר דרך ענן אטומים, הגל הקוונטי מקיים אינטראקציה איתם ויוצר אפקט של התאבכות (חיבור או חיסור של גלים). כאשר פוטון עובר בהצלחה דרך התווך, התכונות הגליות שלו מתחברות באופן כזה שההסתברות למציאת אטום במצב מעורר יורדת מתמטית אל מתחת לאפס.

"זמן שלילי" כאן הוא גודל קוונטי ספציפי, המראה כיצד התאבכות גלים מחסירה את זמן האינטראקציה עבור חלקיקים שעברו בהצלחה

מדוע זה חשוב

זה מאשר ששהיית קבוצה שלילית היא תכונה פיזיקלית אמיתית של אור וחומר קוונטיים, ולא רק תעלול מתמטי נוח. האפקט נחזה תיאורטית מזמן ונצפה ב-1993 בניסוי מנהור פוטונים (גם כן בהשתתפות שטיינברג), אך אז הוטל ספק במשמעותו הפיזיקלית.

כעת יש פחות ספקות: האטומים "מרגישים" את הזמן השלילי הזה.

המדענים מדגישים: אין כאן מכונת זמן. זוהי תכונה של הפיזיקה הקוונטית הסטנדרטית בעבודה עם מדידות חלשות וסלקציה מאוחרת. בתמונה המלאה (כולל פוטונים מפוזרים), הסיבתיות והחיוביות הכללית של הזמן נשמרות.

בתוכניות הצוות – לחקור בפירוט רב יותר את הפוטונים ש התפזרו, כדי להבין כיצד זמן חיובי וזמן שלילי "מפצים" זה על זה בסטטיסטיקה הכוללת.