Un team di scienziati canadesi dell'Università di Toronto, appartenenti al gruppo di Aephraim Steinberg, in collaborazione con il teorico Howard Wiseman della Griffith University in Australia, ha confermato sperimentalmente la realtà di un effetto quantistico paradossale. I fotoni che attraversano con successo una nuvola di atomi inducono in questi ultimi, mediamente, un tempo di eccitazione negativo.
L'essenza dell'esperimento
I ricercatori hanno inviato impulsi estremamente deboli di luce risonante (essenzialmente fotoni) attraverso una nuvola di atomi di rubidio raffreddati. Alla frequenza di risonanza, gli atomi dovrebbero assorbire e riemettere i fotoni, passando temporaneamente a uno stato eccitato.
In questo processo, la maggior parte dei fotoni viene dispersa. Tuttavia, una piccola parte riesce a passare oltre. La questione riguardava quanto tempo questi fotoni transitanti trascorressero all'interno degli atomi sotto forma di eccitazione.
Una misurazione ordinaria avrebbe distrutto l'effetto (effetto Zenone quantistico). Per questo motivo sono state applicate le misurazioni deboli: un ulteriore laser ausiliario molto debole è stato fatto passare attraverso la nuvola e, in base al minuscolo spostamento della sua fase, è stato determinato quanto gli atomi fossero eccitati in media. Ciò quasi non interferisce con il processo, ma richiede una statistica enorme.
Dopo circa decine di milioni di cicli (pari a decine di ore di osservazioni) e una fase di post-selezione (selezionando solo i casi in cui il fotone è effettivamente passato attraverso la nuvola ed è stato registrato), gli scienziati hanno ottenuto un risultato chiaro.
Che cos'è il "tempo negativo" in parole semplici
Il "tempo negativo" qui rappresenta il tempo medio che gli atomi hanno trascorso nello stato eccitato a causa dell'interazione proprio con quei fotoni che sono passati con successo.
Il valore ottenuto è risultato negativo (ad esempio, circa -0,8 rispetto al normale tempo di eccitazione positivo per gli impulsi a banda stretta).
Questo non significa che:
- i fotoni abbiano viaggiato a ritroso nel tempo;
- la causalità sia stata violata;
- gli atomi si siano eccitati "prima" dell'arrivo del fotone nel senso comune del termine.
Il significato è il seguente:
In passato, il ritardo di gruppo negativo (quando il picco di un impulso luminoso esce dal mezzo prima di quanto "dovrebbe") veniva spesso spiegato semplicemente con una ristrutturazione della forma dell'impulso: il mezzo "taglia" la parte posteriore e passa solo il fronte anteriore. Pertanto, sembrava che si trattasse di un artefatto matematico e non di un tempo fisico reale di interazione.
Nel nuovo esperimento, gli scienziati hanno interrogato gli atomi stessi: "E voi, per quanto tempo siete rimasti eccitati a causa del fotone che è passato?".
Gli atomi hanno risposto: un tempo negativo. E questa risposta ha coinciso esattamente con il ritardo di gruppo negativo misurato in base all'arrivo dei fotoni.
Di conseguenza, il tempo negativo non è un'illusione della forma dell'impulso, ma possiede una manifestazione fisica diretta nello stato della materia. Nella meccanica quantistica (attraverso i valori deboli), il "tempo di interazione" medio per i fotoni passati con successo può effettivamente essere negativo a causa dell'interferenza delle ampiezze di probabilità. Spiegazione semplice dell'essenza: nel mondo quantistico, il fotone non si comporta come una particella rigida, ma come un'onda di probabilità. Passando attraverso una nuvola di atomi, l'onda quantistica interagisce con essi, creando un effetto di interferenza (somma o sottrazione di onde). Quando il fotone attraversa con successo il mezzo, le sue proprietà ondulatorie si sommano in modo tale che la probabilità che l'atomo si trovi nello stato eccitato scenda matematicamente sotto lo zero.
Il "tempo negativo" in questo caso è una specifica quantità quantistica che mostra come l'interferenza delle onde sottragga tempo di interazione per le particelle che passano con successo.
Perché questo è importante
Ciò conferma che il ritardo di gruppo negativo è una proprietà fisica reale della luce quantistica e della materia, e non solo un comodo trucco matematico. L'effetto era stato previsto teoricamente molto tempo fa ed era stato osservato nel 1993 in un esperimento sul tunneling dei fotoni (sempre con la partecipazione di Steinberg), ma all'epoca il suo significato fisico era stato messo in dubbio.
Ora i dubbi si sono diradati: gli atomi "percepiscono" effettivamente questo tempo negativo.
Gli scienziati sottolineano: non si tratta di una macchina del tempo. Questa è una peculiarità della fisica quantistica standard quando si opera con misurazioni deboli e post-selezione. Nel quadro completo (compresi i fotoni dispersi), la causalità e la natura positiva del tempo vengono preservate.
I piani del team prevedono ora uno studio più approfondito dei fotoni che si sono dispersi, al fine di comprendere come il tempo positivo e quello negativo si compensino a vicenda nella statistica generale.
