Toronto Üniversitesi'nden Kanadalı bilim insanları (Aephraim Steinberg'in grubu), Griffith Üniversitesi'nden (Avustralya) teorisyen Howard Wiseman ile birlikte paradoksal bir kuantum etkisini deneysel olarak doğruladı. Bir atom bulutundan başarıyla geçen fotonlar, bu atomlarda ortalama olarak negatif uyarılma süresine neden oluyor.
Deneyin Özü
Araştırmacılar, soğuk rubidyum atomlarından oluşan bir buluta rezonans ışığının (esasen fotonların) çok zayıf darbelerini gönderdi. Rezonans frekansında atomların fotonları soğurup tekrar yayması, yani geçici olarak uyarılmış bir duruma geçmesi bekleniyordu.
Bu esnada fotonların çoğu saçılır. Ancak küçük bir kısmı doğrudan geçer. Temel soru, bu geçen fotonların atomların içinde uyarılma şeklinde ne kadar süre "geçirdiğidir".
Standart bir ölçüm bu etkiyi bozacaktı (kuantum Zeno etkisi). Bu nedenle zayıf ölçümler uygulandı: Buluttan bir başka çok zayıf yardımcı lazer geçirildi ve atomların ortalama uyarılma düzeyi, lazerin fazındaki küçücük bir kayma üzerinden belirlendi. Bu işlem sürece neredeyse hiç müdahale etmez, ancak devasa bir veri istatistiği gerektirir.
Yaklaşık on milyonlarca döngüden (onlarca saatlik ölçüm) ve post-selection (yalnızca fotonun gerçekten bulutu geçtiği ve kaydedildiği durumların seçilmesi) aşamasından sonra araştırmacılar net bir sonuç elde etti.
Negatif Zaman Nedir — Basit Bir Anlatım
Buradaki "negatif zaman", atomların özellikle içinden başarıyla geçen fotonlarla etkileşime girmesi sonucunda uyarılmış durumda kaldıkları ortalama süredir.
Bu süre negatif çıktı (örneğin, dar bantlı darbeler için normal pozitif uyarılma süresinin yaklaşık -0,8'i kadar).
Bu, şu anlama gelmez:
- fotonlar zamanda geriye yolculuk yaptı;
- nedensellik ilkesi bozuldu;
- atomlar, foton gelmeden "önce" normal anlamda uyarıldı.
Bunun anlamı şudur:
Geçmişte negatif grup gecikmesi (ışık darbesinin tepe noktasının ortamdan çıkması gereken zamandan daha önce çıkması), genellikle sadece darbe formunun yeniden düzenlenmesiyle açıklanırdı: Ortam darbenin arka kısmını "keser" ve sadece ön uç geçer. Bu yüzden bunun gerçek bir fiziksel etkileşim süresi değil, matematiksel bir yan ürün olduğu düşünülüyordu.
Yeni deneyde bilim insanları bizzat atomlara sordu: "Peki siz, geçen foton nedeniyle ne kadar süre uyarılmış kaldınız?"
Atomlar "negatif bir süre" diye yanıt verdi. Bu cevap, fotonların varışına göre ölçülen negatif grup gecikmesiyle tam olarak örtüştü.
Dolayısıyla negatif zaman, darbe formunun yarattığı bir illüzyon değildir. Maddenin durumu üzerinde doğrudan fiziksel bir karşılığı vardır. Kuantum mekaniğinde (zayıf değerler üzerinden), başarıyla geçen fotonlar için ortalama "etkileşim süresi", olasılık genliklerinin girişimi nedeniyle gerçekten negatif olabilir. Özün basit açıklaması şudur: Kuantum dünyasında foton sert bir bilye gibi değil, bir olasılık dalgası gibi davranır. Atom bulutu içinden geçen kuantum dalgası onlarla etkileşime girer ve bir girişim (dalgaların toplanması veya çıkarılması) etkisi yaratır. Foton ortamdan başarıyla geçtiğinde, dalga özellikleri öyle bir şekilde birleşir ki atomun uyarılmış durumda bulunma olasılığı matematiksel olarak eksiye düşer.
Buradaki "negatif zaman", dalga girişiminin başarıyla geçen parçacıklar için etkileşim süresini nasıl "eksilttiğini" gösteren özel bir kuantum büyüklüğüdür.
Bu Neden Önemli?
Bu, negatif grup gecikmesinin sadece kullanışlı bir matematiksel hile değil, kuantum ışığı ve maddesinin gerçek bir fiziksel özelliği olduğunu doğrular. Bu etki teorik olarak uzun zaman önce tahmin edilmiş ve 1993'te (yine Steinberg'in katıldığı) foton tünelleme deneyinde gözlemlenmişti; ancak o zamanlar fiziksel anlamı sorgulanmıştı.
Artık daha az şüphe var: Atomlar bu negatif zamanı hissediyor.
Bilim insanları vurguluyor: Zaman makinesi diye bir şey yok. Bu, zayıf ölçümler ve post-selection ile çalışırken standart kuantum fiziğinin bir özelliğidir. Tablonun tamamında (saçılan fotonlar dahil), nedensellik ve zamanın toplam pozitifliği korunur.
Ekibin planları arasında, genel istatistikte pozitif ve negatif zamanın birbirini nasıl dengelediğini anlamak için saçılan fotonları daha detaylı incelemek bulunuyor.
