Cientistas canadenses da Universidade de Toronto (liderados por Aephraim Steinberg), em colaboração com o teórico Howard Wiseman da Universidade Griffith (Austrália), confirmaram experimentalmente a existência de um efeito quântico paradoxal. Os fótons que atravessam com sucesso uma nuvem de átomos provocam, em média, um tempo de excitação negativo nesses átomos.
O conceito central do experimento
Os pesquisadores enviaram pulsos extremamente fracos de luz ressonante (essencialmente fótons) através de uma nuvem de átomos de rubídio resfriados. Na frequência de ressonância, os átomos deveriam absorver e reemitir os fótons, ou seja, passar temporariamente para um estado excitado.
A maioria dos fótons acaba se dispersando durante esse processo. No entanto, uma pequena fração consegue atravessar a nuvem. O desafio era determinar quanto tempo esses fótons transmitidos permanecem dentro dos átomos na forma de excitação.
Uma medição convencional destruiria o efeito (efeito quântico de Zenão). Por isso, foram aplicadas medições fracas: um segundo laser auxiliar muito fraco atravessou a nuvem e, por meio de um deslocamento minúsculo em sua fase, determinou-se o nível médio de excitação dos átomos. Esse método quase não interfere no processo, mas exige uma base estatística colossal.
Após cerca de dezenas de milhões de ciclos (dezenas de horas de medições) e a aplicação de pós-seleção (filtrando apenas os casos em que o fóton realmente atravessou a nuvem e foi registrado), os cientistas obtiveram um resultado claro.
O que é o tempo negativo em termos simples
O tempo negativo aqui refere-se ao tempo médio que os átomos permaneceram excitados devido à interação específica com os fótons que atravessaram o sistema com sucesso.
O valor obtido foi negativo (por exemplo, cerca de –0,8 do tempo de excitação positivo normal para pulsos de banda estreita).
Isso não significa que:
- os fótons viajaram no tempo para o passado;
- a causalidade foi violada;
- os átomos se excitaram antes da chegada do fóton, no sentido convencional.
O significado real é o seguinte:
Antigamente, o atraso de grupo negativo (quando o pico de um pulso luminoso sai do meio antes do que deveria) era frequentemente explicado apenas pela reformulação do formato do pulso: o meio cortaria a parte traseira, deixando passar apenas a frente de onda. Por esse motivo, acreditava-se que se tratava de um artefato matemático, e não de um tempo real de interação física.
No novo experimento, os cientistas interrogaram os próprios átomos: Por quanto tempo vocês ficaram excitados devido ao fóton que passou?
Os átomos responderam: tempo negativo. E essa resposta coincidiu exatamente com o atraso de grupo negativo medido pela chegada dos fótons.
Dessa forma, o tempo negativo não é uma ilusão causada pela forma do pulso. Ele possui uma manifestação física direta no estado da matéria. Na mecânica quântica (via valores fracos), o tempo de interação médio para os fótons transmitidos com sucesso pode, de fato, ser negativo devido à interferência das amplitudes de probabilidade. Explicação simples da essência: no mundo quântico, o fóton não se comporta como uma esfera sólida, mas como uma onda de probabilidade. Ao atravessar uma nuvem de átomos, a onda quântica interage com eles, gerando um efeito de interferência (soma ou subtração de ondas). Quando o fóton atravessa o meio com sucesso, suas propriedades ondulatórias se combinam de tal forma que a probabilidade de o átomo estar no estado excitado torna-se matematicamente negativa.
O tempo negativo neste caso é uma grandeza quântica específica que demonstra como a interferência de ondas subtrai o tempo de interação para as partículas que cruzam o sistema com sucesso.
Por que isso é importante
Isso confirma que o atraso de grupo negativo é uma propriedade física real da luz e da matéria quântica, e não apenas um truque matemático conveniente. O efeito foi previsto teoricamente há muito tempo e observado em 1993 em um experimento de tunelamento de fótons (também com a participação de Steinberg), mas, na época, seu significado físico foi posto em dúvida.
Agora restam menos dúvidas: os átomos sentem esse tempo negativo.
Os pesquisadores ressaltam: nada de máquinas do tempo. Trata-se de uma característica da física quântica convencional ao se trabalhar com medições fracas e pós-seleção. Na visão abrangente (incluindo os fótons dispersos), a causalidade e a natureza positiva total do tempo são preservadas.
Os planos da equipe incluem o estudo mais detalhado dos fótons que se dispersaram para entender como o tempo positivo e o negativo se compensam na estatística global.
