Канадские учёные из Университета Торонто (группа Аефрайма Стейнберга) совместно с теоретиком Ховардом Вайзманом из Университета Гриффита (Австралия) экспериментально подтвердили реальность парадоксального квантового эффекта. Фотоны, которые успешно проходят сквозь облако атомов, в среднем вызывают у этих атомов отрицательное время возбуждения.
В чём суть эксперимента
Учёные отправляли очень слабые импульсы резонансного света (по сути — фотоны) через облако холодных атомов рубидия. На резонансной частоте атомы должны поглощать и переизлучать фотоны, то есть временно переходить в возбуждённое состояние.
Большинство фотонов при этом рассеивается. Но небольшая часть проходит насквозь. Вопрос был в том, сколько времени эти прошедшие фотоны «проводят» внутри атомов в виде возбуждения.
Обычное измерение разрушило бы эффект (квантовый эффект Зенона). Поэтому применили слабые измерения: через облако пропускали ещё один очень слабый вспомогательный лазер и по крошечному сдвигу его фазы определяли, насколько атомы возбуждены в среднем. Это почти не вмешивается в процесс, но требует огромной статистики.
После примерно десятков миллионов циклов (десятки часов измерений) и пост-селекции (отбора только тех случаев, когда фотон реально прошёл сквозь облако и был зарегистрирован) учёные получили чёткий результат.
Что такое «отрицательное время» — простыми словами
«Отрицательное время» здесь — это среднее время, которое атомы провели в возбуждённом состоянии из-за взаимодействия именно с теми фотонами, которые успешно прошли насквозь.
Оно получилось отрицательным (например, около –0,8 от обычного положительного времени возбуждения для узкополосных импульсов).
Это не значит, что:
- фотоны путешествовали назад во времени;
- причинность нарушена;
- атомы возбуждались «до» прихода фотона в обычном смысле.
Это означает вот что:
Раньше отрицательную групповую задержку (когда пик светового импульса выходит из среды раньше, чем «должен») часто объясняли просто перестройкой формы импульса: среда «отрезает» заднюю часть, и проходит только передний фронт. Поэтому казалось, что это математический артефакт, а не реальное физическое время взаимодействия.
В новом эксперименте учёные спросили сами атомы: «А вы-то сколько времени были возбуждены из-за прошедшего фотона?»
Атомы ответили: отрицательное время. И этот ответ точно совпал с отрицательной групповой задержкой, измеренной по приходу фотонов.
Таким образом, отрицательное время — это не иллюзия формы импульса. Оно имеет прямое физическое проявление в состоянии материи. В квантовой механике (через слабые значения) среднее «время взаимодействия» для успешно прошедших фотонов действительно может быть отрицательным из-за интерференции амплитуд вероятности.
Простое объяснение сути: В квантовом мире фотон ведет себя не как твердый шар, а как волна вероятности. Проходя через облако атомов, квантовая волна взаимодействует с ними, создавая эффект интерференции (сложения или вычитания волн). Когда фотон успешно проходит сквозь среду, его волновые свойства складываются таким образом, что вероятность нахождения атома в возбужденном состоянии математически уходит в минус.
«Отрицательное время» здесь — это специфическая квантовая величина, показывающая, как интерференция волн вычитает время взаимодействия для успешно прошедших частиц
Почему это важно
Это подтверждает, что отрицательная групповая задержка — настоящее физическое свойство квантового света и вещества, а не просто удобная математическая уловка. Эффект был теоретически предсказан давно и наблюдался в 1993 году в эксперименте по туннелированию фотонов (тоже при участии Стейнберга), но тогда его физический смысл ставили под сомнение.
Теперь сомнений меньше: атомы «чувствуют» это отрицательное время.
Учёные подчёркивают: никакой машины времени. Это особенность стандартной квантовой физики при работе со слабыми измерениями и пост-селекцией. В полной картине (включая рассеянные фотоны) причинность и общая положительность времени сохраняются.
В планах команды — подробнее изучить фотоны, которые рассеялись, чтобы понять, как положительное и отрицательное время «компенсируют» друг друга в общей статистике.
