Các nhà khoa học Canada từ Đại học Toronto (nhóm của Aephraim Steinberg) phối hợp cùng nhà lý thuyết Howard Wiseman từ Đại học Griffith (Australia) đã xác nhận bằng thực nghiệm sự tồn tại của một hiệu ứng lượng tử đầy nghịch lý. Những hạt photon đi xuyên qua đám mây nguyên tử thành công trung bình sẽ khiến cho các nguyên tử này rơi vào trạng thái có thời gian kích thích âm.
Bản chất của thí nghiệm
Các nhà nghiên cứu đã gửi các xung ánh sáng cộng hưởng cực yếu (về bản chất là các hạt photon đơn lẻ) đi qua một đám mây gồm các nguyên tử rubidium lạnh. Ở tần số cộng hưởng, theo lý thuyết, các nguyên tử sẽ hấp thụ và tái phát xạ photon, tức là chúng tạm thời chuyển sang trạng thái kích thích.
Trong quá trình này, phần lớn các photon sẽ bị tán xạ. Tuy nhiên, vẫn có một phần nhỏ đi xuyên qua được hoàn toàn. Câu hỏi đặt ra là những photon xuyên qua này đã "dành" bao nhiêu thời gian bên trong các nguyên tử dưới hình thức kích thích.
Việc thực hiện các phép đo thông thường sẽ phá hủy hiệu ứng này (do hiệu ứng Zeno lượng tử). Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật phép đo yếu: họ cho một tia laser phụ trợ cực yếu khác đi qua đám mây và dựa trên sự dịch chuyển pha cực nhỏ của nó để xác định mức độ kích thích trung bình của các nguyên tử. Phương pháp này hầu như không can thiệp vào tiến trình vật lý, nhưng lại đòi hỏi một lượng dữ liệu thống kê khổng lồ.
Sau khoảng hàng chục triệu chu kỳ (tương ứng với hàng chục giờ đo đạc liên tục) và quá trình hậu chọn (chỉ lọc ra những trường hợp photon thực sự xuyên qua đám mây và được thiết bị ghi nhận), các nhà khoa học đã thu được kết quả rõ ràng.
Giải thích đơn giản về "thời gian âm"
Ở đây, "thời gian âm" được hiểu là thời gian trung bình mà các nguyên tử duy trì trạng thái kích thích do tương tác riêng với những photon đã xuyên qua thành công.
Kết quả thu được là một giá trị âm (chẳng hạn, đạt mức khoảng -0,8 so với thời gian kích thích dương thông thường đối với các xung dải hẹp).
Điều này không có nghĩa là:
- các photon đã du hành ngược thời gian;
- tính nhân quả bị vi phạm;
- các nguyên tử bị kích thích "trước" khi photon đến theo cách hiểu thông thường.
Thay vào đó, nó mang ý nghĩa như sau:
Trước đây, hiện tượng trễ nhóm âm (khi đỉnh của một xung ánh sáng đi ra khỏi môi trường sớm hơn mức "cần thiết") thường được giải thích đơn giản là do sự thay đổi hình dạng xung: môi trường đã "cắt bỏ" phần đuôi, khiến chỉ có phần đầu của xung đi qua. Do đó, người ta từng cho rằng đây chỉ là một hệ quả toán học hơn là thời gian tương tác vật lý thực thụ.
Trong thí nghiệm mới này, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi cho chính các nguyên tử: "Các bạn đã bị kích thích trong bao lâu bởi photon đi xuyên qua?"
Và các nguyên tử đã trả lời: thời gian âm. Kết quả này hoàn toàn khớp với độ trễ nhóm âm đo được từ thời điểm photon xuất hiện.
Như vậy, thời gian âm không phải là một ảo giác về hình dạng xung ánh sáng. Nó có biểu hiện vật lý trực tiếp lên trạng thái của vật chất. Trong cơ học lượng tử (thông qua các giá trị yếu), "thời gian tương tác" trung bình đối với các photon xuyên qua thành công thực sự có thể mang giá trị âm do hiện tượng giao thoa giữa các biên độ xác suất. Giải thích đơn giản về bản chất: Trong thế giới lượng tử, hạt photon không di chuyển như một viên bi cứng mà như một sóng xác suất. Khi đi qua đám mây nguyên tử, sóng lượng tử tương tác với chúng và tạo ra hiệu ứng giao thoa (sự cộng hưởng hoặc triệt tiêu các sóng). Khi một hạt photon xuyên qua môi trường thành công, các đặc tính sóng của nó tự tổng hợp theo cách khiến xác suất nguyên tử ở trạng thái kích thích bị trừ đi về mặt toán học xuống dưới mức không.
"Thời gian âm" ở đây là một đại lượng lượng tử đặc biệt, phản ánh cách hiện tượng giao thoa sóng khấu trừ thời gian tương tác đối với những hạt đã đi xuyên qua thành công.
Tại sao điều này lại quan trọng
Thực nghiệm này xác nhận rằng độ trễ nhóm âm là một thuộc tính vật lý thực sự của ánh sáng lượng tử và vật chất, chứ không đơn thuần là một công cụ toán học thuận tiện. Hiệu ứng này đã được dự báo về mặt lý thuyết từ lâu và từng được quan sát vào năm 1993 trong một thí nghiệm về đường hầm photon (cũng có sự tham gia của Steinberg), nhưng tại thời điểm đó, ý nghĩa vật lý của nó vẫn còn bị đặt dấu hỏi lớn.
Giờ đây, những nghi ngờ đã dần tan biến: các nguyên tử thực sự "cảm nhận" được khoảng thời gian âm này.
Các nhà khoa học cũng nhấn mạnh rằng: đây không phải là một cỗ máy thời gian. Đây là một đặc tính cơ bản của vật lý lượng tử tiêu chuẩn khi thực hiện các phép đo yếu và hậu chọn. Trong bức tranh tổng quát (bao gồm cả những photon bị tán xạ), tính nhân quả và tính chất dương của tổng thời gian vẫn luôn được duy trì.
Trong các kế hoạch sắp tới, đội ngũ nghiên cứu sẽ đi sâu tìm hiểu về các photon bị tán xạ nhằm hiểu rõ hơn cách thức thời gian dương và thời gian âm "bù trừ" lẫn nhau trong các số liệu thống kê chung.
