Fizicienii cuantici sunt familiarizați cu fenomene neplăcute, aparent fără sens: atomi iar moleculele acționează uneori ca particule, alteori ca unde; particulele pot fi conectate între ele printr-un “acțiune înfricoșătoare la distanță”, chiar și la distanțe mari; iar obiectele cuantice se pot detașa de proprietățile lor, cum ar fi Pisica Cheshire din Aventurile lui Alice în Țara Minunilor se desprinde de rânjetul său. Acum, cercetătorii conduși de Daniela Angulo de la Universitatea din Toronto au dezvăluit un alt rezultat cuantic ciudat: fotonii, undă-particule de luminăpoate petrece o perioadă negativă de timp trecând printr-un nor de atomi răciți. Cu alte cuvinte, fotonii pot părea să iasă dintr-un material înainte de a intra în el.
„A fost nevoie o perioadă pozitivă de timpdar experimentul nostru prin care se observă că fotonii pot face ca atomii să pară să petreacă o perioadă *negativă* în starea excitată!”, a scris Aefhraim Steinberg, fizician la Universitatea din Toronto, într-un postați pe X (fostul Twitter) despre studiu noucare a fost încărcat pe serverul de preprint arXiv.org pe 5 septembrie și nu a fost încă revizuit de către colegi.
Ideea acestei lucrări a apărut în 2017. La acea vreme, Steinberg și un coleg de laborator, pe atunci doctorand Josiah Sinclair, erau interesați de interacțiunea dintre lumină și materie, în special un fenomen numit excitație atomică: când fotonii trec printr-un mediu și sunt absorbiți, electronii care se învârtesc în jurul atomilor din acel mediu sar la niveluri de energie mai înalte. Când acești electroni excitați ajung la starea lor inițială, ei eliberează acea energie absorbită ca fotoni reemiși, introducând o întârziere în timpul de tranzit observat al luminii prin mediu.
Echipa lui Sinclair a vrut să măsoare acea întârziere (care uneori se numește tehnic „întârziere de grup”) și să afle dacă depinde de soarta acelui foton: a fost împrăștiat și absorbit în interiorul norului atomic sau a fost transmis fără nicio interacțiune. ? „La acel moment, nu eram siguri care este răspunsul și am simțit că o întrebare atât de elementară despre ceva atât de fundamental ar trebui să fie ușor de răspuns”, spune Sinclair. „Dar cu cât vorbeam mai mulți oameni, cu atât ne-am dat seama că, în timp ce fiecare avea propria intuiție sau presupunerea, nu exista un consens al experților cu privire la răspunsul corect.” Deoarece natura acestor întârzieri poate fi atât de ciudată și contraintuitivă, unii cercetători au eliminat fenomenul ca fiind efectiv lipsit de sens pentru a descrie orice proprietate fizică asociată cu lumina.
După trei ani de planificare, echipa sa a dezvoltat un aparat pentru a testa această întrebare în laborator. Experimentele lor au implicat tragerea de fotoni printr-un nor de atomi de rubidiu ultrareci și măsurarea gradului rezultat de excitație atomică. Din experiment au ieșit două surprize: Uneori, fotonii treceau nevătămați, totuși atomii de rubidiu deveneau în continuare excitați – și la fel de mult timp ca și cum ar fi absorbi acei fotoni. Mai ciudat, atunci când fotonii au fost absorbiți, ei ar părea să fie reemiși aproape instantaneu, cu mult înainte ca atomii de rubidiu să revină la starea lor fundamentală – ca și cum fotonii, în medie, ar părăsi atomii mai repede decât se aștepta.
Echipa a colaborat apoi cu Howard Wiseman, un fizician teoretic și cuantic la Universitatea Griffith din Australia, pentru a găsi o explicație. The cadrul teoretic care a apărut a arătat că timpul petrecut de acești fotoni transmisi ca o excitație atomică se potrivea perfect cu întârzierea de grup așteptată dobândită de lumină – chiar și în cazurile în care părea că fotonii au fost reemiși înainte ca excitația atomică să fi diminuat.
Înrudit: Timpul ar putea fi un miraj creat de fizica cuantică, sugerează studiul
Pentru a înțelege descoperirea fără sens, vă puteți gândi la fotonii ca obiecte cuantice fuzzy acestea sunt, în care absorbția și reemisia unui foton dat printr-o excitație atomică nu este garantată să aibă loc într-o anumită perioadă de timp fixă; mai degrabă, are loc într-un interval probabilistic de valori temporale. După cum au demonstrat experimentele echipei, aceste valori pot cuprinde situații în care timpul de tranzit al unui foton individual este instantaneu – sau, în mod bizar, când se încheie înainte ca excitația atomică să înceteze, ceea ce dă o valoare negativă.
„Vă pot promite că am fost complet surprinși de această predicție”, spune Sinclair, referindu-se la potrivirea dintre întârzierea grupului și timpul petrecut de fotonii transmisi ca excitații atomice. „Și de îndată ce am fost încrezători că nu am făcut o greșeală, Steinberg și restul echipei – am trecut la un post-doctorat la [the Massachusetts Institute of Technology] Până în acest moment, a început să planifice să facă un experiment ulterioară pentru a testa această predicție nebună a timpului de așteptare negativ și a vedea dacă teoria va rezista.”
Experimentul ulterior, cel condus de Angulo pe care Steinberg l-a prezentat pe X, poate fi înțeles luând în considerare cele două moduri în care un foton poate fi transmis. Într-una, fotonul poartă un fel de ochiuri și ignoră atomul în întregime, plecând fără măcar un semn din cap. În celălalt, interacționează cu atomul, ridicându-l la un nivel de energie mai înalt, înainte de a fi reemis.
„Când vezi un foton transmis, nu poți ști care dintre acestea a avut loc”, spune Steinberg, adăugând că, deoarece fotonii sunt particule cuantice în domeniul cuantic, cele două rezultate pot fi în suprapunere— ambele lucruri se pot întâmpla în același timp. “Dispozitivul de măsurare ajunge într-o suprapunere de măsurare a zero și măsurarea unei valori pozitive mici.” Dar în mod corespunzător, notează Steinberg, asta înseamnă și că uneori „dispozitivul de măsurare ajunge într-o stare care arată nu ca „zero” plus „ceva pozitiv”, dar ca „zero” minus „ceva pozitiv”, rezultând ceea ce pare a fi un semn greșit, o valoare negativă, pentru acest timp de excitare.”
Rezultatele măsurătorilor din experimentul Angulo și al colegilor ei sugerează că fotonii s-au deplasat prin mediu mai repede atunci când au excitat atomii decât atunci când atomii au rămas în starea lor fundamentală. (Fotonii nu comunică nicio informație, așa că rezultatul nu contrazice „nimic nu poate călători mai repede decât lumina” Limită de viteză stabilit de Teoria specială a relativității a lui Einstein.)
„O întârziere negativă poate părea paradoxală, dar ceea ce înseamnă este că, dacă ai construi un ceas „cuantic” pentru a măsura cât timp petrec atomii în starea excitată, acul ceasului, în anumite circumstanțe, se va deplasa mai degrabă înapoi decât înainte. ”, spune Sinclair. Cu alte cuvinte, timpul în care fotonii au fost absorbiți de atomi este negativ.
Chiar dacă fenomenul este uimitor, nu are niciun impact asupra înțelegerii noastre asupra timpului în sine – dar ilustrează încă o dată că lumea cuantică mai are surprize rezervate.
“[Angulo] iar restul echipei au realizat ceva cu adevărat impresionant și au produs un set frumos de măsurători. Rezultatele lor ridică întrebări interesante despre istoria fotonilor care călătoresc prin medii de absorbție și necesită o reinterpretare a semnificației fizice a întârzierii grupului în optică”, spune Sinclair.
O versiune a acestui articol a apărut inițial în Spektrum der Wissenschaft și a fost reprodus cu permisiunea.
Acest articol a fost publicat pentru prima dată la științific american. © ScientificAmerican.com. Toate drepturile rezervate. Urmați mai departe TikTok și Instagram, X şi Facebook.