Канадські дослідники з Університету Торонто під керівництвом Ефраїма Штейнберга спільно з теоретиком Говардом Вайзманом з Університету Гріффіта в Австралії експериментально підтвердили існування парадоксального квантового ефекту. Фотони, які успішно долають хмару атомів, у середньому змушують ці атоми перебувати у стані від’ємного часу збудження.
У чому полягає суть експерименту
У межах дослідження вчені спрямовували надслабкі імпульси резонансного світла, що фактично складалися з окремих фотонів, крізь хмару охолоджених атомів рубідію. На резонансній частоті атоми мають поглинати та перевипромінювати ці фотони, тобто на певний час переходити у збуджений стан.
Більшість фотонів при цьому розсіюється у просторі. Проте незначна їх частина проходить крізь хмару наскрізь. Ключове питання полягало в тому, скільки саме часу такі фотони проводять всередині атомів у стані збудження.
Звичайне вимірювання зруйнувало б цей тендітний процес через квантовий ефект Зенона. Тому фізики застосували метод слабких вимірювань: крізь хмару пропускали додатковий допоміжний лазер, за крихітним зсувом фази якого визначали середній ступінь збудження атомів. Такий підхід майже не втручається у систему, проте вимагає збору величезного обсягу статистичних даних.
Провівши десятки мільйонів циклів вимірювань протягом десятків годин та застосувавши процедуру постселекції, тобто відбору лише тих випадків, коли фотон справді пройшов крізь хмару та був зареєстрований, вчені отримали чіткий результат.
Що таке «від’ємний час» простими словами
Під поняттям «від’ємний час» тут розуміють середню тривалість перебування атомів у збудженому стані внаслідок взаємодії саме з тими фотонами, що пройшли наскрізь.
Цей показник виявився від’ємним і склав, наприклад, близько –0,8 від звичного позитивного часу збудження для вузькосмугових імпульсів.
Це не свідчить про наступне:
- фотони подорожували назад у часі;
- причинно-наслідкові зв’язки було порушено;
- атоми збуджувалися ще до прильоту фотона у звичному розумінні.
Насправді це означає ось що:
Раніше від’ємну групову затримку, коли пік світлового імпульсу виходить із середовища раніше за очікуваний термін, часто пояснювали простою перебудовою форми самого імпульсу, вважаючи, що середовище відсікає задню частину, залишаючи лише передній фронт. Через це ефект здавався суто математичним артефактом, а не реальним фізичним часом взаємодії.
У новому експерименті дослідники звернулися безпосередньо до самих атомів із питанням про те, скільки часу вони були збуджені через фотон, що пройшов крізь них.
Відповідь атомів підтвердила існування від’ємного часу, і цей результат точно збігся з показниками від’ємної групової затримки, виміряної за моментом фіксації фотонів.
Таким чином, від’ємний час — це не ілюзія зміни форми імпульсу, а явище, що має пряме фізичне втілення у стані матерії. У квантовій механіці через механізм слабких значень середній час взаємодії для часток, що пройшли успішно, справді може бути від’ємним завдяки інтерференції амплітуд імовірності. Суть явища можна пояснити так: у квантовому світі фотон поводиться не як тверда частка, а як хвиля ймовірності. Проходячи крізь хмару атомів, ця квантова хвиля взаємодіє з ними, створюючи ефект інтерференції, тобто додавання або віднімання хвиль. Коли фотон успішно долає середовище, його хвильові властивості накладаються таким чином, що ймовірність перебування атома у збудженому стані математично стає від’ємною.
Від’ємний час у цьому контексті є специфічною квантовою величиною, яка демонструє, як інтерференція хвиль «віднімає» час взаємодії для часток, що пройшли наскрізь.
Чому це важливо
Це відкриття підтверджує, що від’ємна групова затримка є справжньою фізичною властивістю квантового світла та речовини, а не просто зручним математичним трюком. Ефект був теоретично передбачений давно і навіть спостерігався у 1993 році в експериментах із тунелюванням фотонів за участі Штейнберга, але тоді його фізичну суть багато хто ставив під сумнів.
Тепер приводів для сумнівів поменшало, адже атоми буквально відчувають цей від’ємний час на собі.
Вчені наголошують, що мова не йде про створення машини часу, а лише про особливість стандартної квантової фізики під час роботи зі слабкими вимірюваннями та постселекцією. У повній картині, яка враховує також і розсіяні фотони, принципи причинності та загальна позитивність часу повністю зберігаються.
У подальших планах команди — детальніше вивчити фотони, що розсіялися, аби зрозуміти, як саме позитивний та від’ємний час компенсують один одного в загальній статистиці.
