Kanadyjscy naukowcy z Uniwersytetu w Toronto (zespół Aephraima Steinberga) we współpracy z teoretykiem Howardem Wisemanem z Griffith University w Australii eksperymentalnie potwierdzili istnienie paradoksalnego efektu kwantowego. Fotony, którym udaje się pomyślnie przeniknąć przez chmurę atomów, wywołują u tych atomów średnio ujemny czas wzbudzenia.
W ramach eksperymentu badacze przesyłali bardzo słabe impulsy światła rezonansowego (czyli fotony) przez chmurę schłodzonych atomów rubidu. Przy częstotliwości rezonansowej atomy powinny pochłaniać i ponownie emitować fotony, co wiąże się z ich tymczasowym przejściem w stan wzbudzony.
Większość fotonów ulega w takich warunkach rozproszeniu, jednak niewielka ich część przedostaje się na drugą stronę. Kluczowym pytaniem było to, jak wiele czasu te przepuszczone fotony „spędzają” wewnątrz atomów w formie wzbudzenia.
Standardowy pomiar zniszczyłby badany efekt ze względu na kwantowy efekt Zenona. Z tego powodu zastosowano metodę słabych pomiarów: przez chmurę przepuszczano dodatkowy, niezwykle słaby laser pomocniczy i na podstawie minimalnego przesunięcia jego fazy określano średni stopień wzbudzenia atomów. Metoda ta niemal nie zakłóca procesu, ale wymaga zgromadzenia potężnej ilości danych statystycznych.
Po przeprowadzeniu około kilkudziesięciu milionów cykli (co zajęło dziesiątki godzin pomiarów) oraz dokonaniu postselekcji, czyli wybraniu wyłącznie tych przypadków, w których foton faktycznie przeszedł przez chmurę i został zarejestrowany, naukowcy uzyskali jednoznaczny wynik.
„Ujemny czas” w tym kontekście to średni czas, jaki atomy spędziły w stanie wzbudzonym w wyniku oddziaływania konkretnie z tymi fotonami, które pomyślnie przeniknęły przez ośrodek.
Wartość ta okazała się ujemna i wyniosła na przykład około –0,8 normalnego, dodatniego czasu wzbudzenia dla impulsów wąskopasmowych.
Nie oznacza to jednak, że:
- fotony cofnęły się w czasie;
- zasada przyczynowości została złamana;
- atomy wzbudzały się „przed” przybyciem fotonu w potocznym tego słowa znaczeniu.
Oznacza to natomiast co następuje:
Dawniej ujemne opóźnienie grupowe (gdy szczyt impulsu świetlnego opuszcza ośrodek wcześniej, niż „powinien”) tłumaczono często po prostu zmianą kształtu impulsu, gdzie ośrodek „odcina” jego tylną część, a przechodzi tylko czoło fali. Z tego powodu wydawało się, że mamy do czynienia z artefaktem matematycznym, a nie z rzeczywistym, fizycznym czasem oddziaływania.
W nowym eksperymencie naukowcy postanowili zapytać same atomy: „A wy jak długo pozostawałyście w stanie wzbudzenia z powodu fotonu, który przeszedł dalej?”.
Atomy odpowiedziały: przez ujemny czas. Odpowiedź ta dokładnie pokryła się z ujemnym opóźnieniem grupowym zmierzonym na podstawie momentu dotarcia fotonów do detektora.
Tym samym udowodniono, że ujemny czas nie jest iluzją wynikającą z kształtu impulsu, lecz posiada bezpośrednie odzwierciedlenie fizyczne w stanie materii. W mechanice kwantowej, operując pojęciem słabych wartości, średni „czas oddziaływania” dla fotonów, które pomyślnie przeszły przez ośrodek, może być rzeczywiście ujemny ze względu na interferencję amplitud prawdopodobieństwa.
Proste wyjaśnienie istoty zjawiska: W świecie kwantowym foton nie zachowuje się jak twarda kula, lecz jak fala prawdopodobieństwa. Przechodząc przez chmurę atomów, fala kwantowa oddziałuje z nimi, wywołując efekt interferencji, czyli nakładania się fal. Gdy foton pomyślnie przenika przez ośrodek, jego właściwości falowe sumują się w taki sposób, że prawdopodobieństwo znalezienia atomu w stanie wzbudzonym staje się matematycznie ujemne.
„Ujemny czas” jest tu specyficzną wielkością kwantową, która pokazuje, w jaki sposób interferencja fal „odejmuje” czas oddziaływania w przypadku cząstek, które przeszły przez barierę.
Odkrycie to potwierdza, że ujemne opóźnienie grupowe jest rzeczywistą cechą fizyczną kwantowego światła i materii, a nie jedynie wygodną sztuczką matematyczną. Efekt ten został przewidziany teoretycznie już dawno i zaobserwowany w 1993 roku w eksperymencie dotyczącym tunelowania fotonów (również z udziałem Steinberga), jednak wtedy jego fizyczny sens poddawano w wątpliwość.
Obecnie wątpliwości jest znacznie mniej: atomy bezpośrednio „odczuwają” ten ujemny czas.
Naukowcy podkreślają jednak: to nie jest maszyna czasu. Jest to specyfika standardowej fizyki kwantowej przy zastosowaniu słabych pomiarów i postselekcji. W pełnym obrazie świata, uwzględniającym także fotony rozproszone, zasada przyczynowości i ogólna dodatniość czasu pozostają zachowane.
Zespół planuje teraz dokładniej zbadać fotony, które uległy rozproszeniu, aby zrozumieć, w jaki sposób dodatni i ujemny czas „kompensują się” wzajemnie w ogólnych statystykach.
