Canadese wetenschappers van de Universiteit van Toronto (onder leiding van de groep van Aephraim Steinberg) hebben in samenwerking met theoreticus Howard Wiseman van de Griffith University in Australië experimenteel het bestaan van een paradoxaal kwantumeffect aangetoond. Fotonen die met succes door een wolk van atomen dringen, blijken bij deze atomen gemiddeld een negatieve aanslagtijd te veroorzaken.
De kern van het experiment
Tijdens het onderzoek stuurden de wetenschappers uiterst zwakke pulsen resonant licht — in feite losse fotonen — door een wolk van koude rubidiumatomen. Op de resonantiefrequentie horen atomen deze fotonen te absorberen en weer uit te zenden, wat betekent dat ze tijdelijk overgaan naar een aangeslagen toestand.
Hoewel de meeste fotonen daarbij worden verstrooid, slaagt een klein gedeelte erin om de wolk ongehinderd te passeren. De centrale vraag van het experiment was hoeveel tijd deze doorgelaten fotonen in de atomen 'doorbrachten' in de vorm van een aanslag.
Omdat een conventionele meting het effect zou vernietigen door het kwantum-Zeno-effect, maakten de onderzoekers gebruik van zogenaamde zwakke metingen: hierbij lieten ze een tweede, zeer zwakke hulplaser door de wolk schijnen om via een minieme faseverschuiving te bepalen in welke mate de atomen gemiddeld aangeslagen waren. Deze methode verstoort het proces nauwelijks, maar vereist wel een enorme hoeveelheid statistische data.
Na ongeveer tientallen miljoenen cycli, wat neerkwam op tientallen uren aan metingen, en een zorgvuldige post-selectie waarbij alleen de gevallen werden geteld waarin het foton daadwerkelijk de wolk passeerde en werd geregistreerd, kwamen de wetenschappers tot een eenduidig resultaat.
Wat 'negatieve tijd' in eenvoudige bewoordingen betekent
Met 'negatieve tijd' wordt hier de gemiddelde tijd bedoeld die de atomen in een aangeslagen toestand verkeerden door de interactie met specifiek die fotonen die de wolk succesvol doorkruisten.
Deze waarde bleek negatief te zijn, met een resultaat van ongeveer –0,8 ten opzichte van de normale positieve aanslagtijd voor smalbandige pulsen.
Dit betekent echter niet dat:
- fotonen terug in de tijd zijn gereisd;
- de wetten van oorzaak en gevolg zijn geschonden;
- atomen in de gebruikelijke zin al 'vóór' de komst van het foton aangeslagen raakten.
De feitelijke betekenis is als volgt:
In het verleden werd een negatieve groepsvertraging — waarbij de piek van een lichtpuls de materie eerder verlaat dan 'zou moeten' — vaak simpelweg uitgelegd als een vervorming van de puls, waarbij het medium de achterkant wegfiltert en alleen de voorkant doorlaat. Hierdoor leek het eerder een wiskundig artefact te zijn dan een werkelijke fysieke interactieperiode.
In dit nieuwe experiment stelden de wetenschappers de vraag echter direct aan de atomen zelf: "Hoe lang waren jullie nu precies aangeslagen door het passerende foton?"
De atomen gaven als antwoord: een negatieve tijd. Deze uitkomst kwam bovendien exact overeen met de negatieve groepsvertraging die was gemeten bij de aankomst van de fotonen.
Zo is aangetoond dat negatieve tijd geen optische illusie door pulsvorming is, maar een directe fysieke uitwerking heeft op de toestand van de materie. In de kwantummechanica kan de gemiddelde 'interactietijd' voor succesvol gepasseerde fotonen door de interferentie van waarschijnlijkheidsamplitudes inderdaad negatief uitvallen wanneer men gebruikmaakt van zwakke waarden.
Een eenvoudige uitleg van de kern: In de kwantumwereld gedraagt een foton zich niet als een massief balletje, maar als een waarschijnlijkheidsgolf. Terwijl deze kwantumgolf door de wolk van atomen reist, ontstaat er een interactie die leidt tot interferentie, oftewel het optellen of uitdoven van golven. Wanneer een foton de omgeving succesvol passeert, tellen de golfeigenschappen zodanig bij elkaar op dat de kans dat een atoom zich in een aangeslagen toestand bevindt, wiskundig gezien onder nul uitkomt.
'Negatieve tijd' fungeert hier als een specifieke kwantumgrootheid die aantoont hoe golfinterferentie de interactietijd voor de deeltjes die het eindpunt bereiken, effectief wegstreept.
Waarom dit resultaat van belang is
Dit resultaat bevestigt dat een negatieve groepsvertraging een reële fysieke eigenschap is van de wisselwerking tussen kwantumlicht en materie, en niet slechts een handige wiskundige truc. Hoewel het effect lang geleden al theoretisch was voorspeld en in 1993 al werd waargenomen bij een experiment met fotonentunneling (eveneens met betrokkenheid van Steinberg), werd de fysieke betekenis ervan destijds nog in twijfel getrokken.
Die twijfel is nu grotendeels weggenomen, aangezien de atomen deze negatieve tijd daadwerkelijk lijken te 'ervaren'.
De wetenschappers benadrukken echter dat er geen sprake is van een tijdmachine; het gaat om een specifiek kenmerk van de standaard kwantumfysica bij het gebruik van zwakke metingen en post-selectie. In het grotere geheel, inclusief de verstrooide fotonen, blijven de causaliteit en de algehele positiviteit van tijd gewoon behouden.
Het team is nu van plan om de verstrooide fotonen nader te bestuderen, om te begrijpen hoe de positieve en negatieve tijd elkaar in de totale statistieken precies in evenwicht houden.
