Do listy wielu nieintuicyjnych zjawisk fizyki kwantowej być może będziemy musieli dopisać kolejne. Badacze z Quantum Information and Quantum Control przy Uniwersytecie w Toronto przeprowadzili doświadczenia sugerujące, że atomy bombardowane fotonami, mogą pozostawać w stanie wzbudzonym przez ujemny czas.
Kierownik zespołu Aephraim Steinberg, wpadł na pomysł eksperymentu w 2017 roku, kiedy zainteresował się elektrodynamiką kwantową, opisującą interakcje światła z materią, na poziomie pojedynczych fotonów i elektronów. Od dawna wiemy, że kiedy światło trafia w materię, atomy mogą zostać na moment wzbudzone. Elektrony absorbują nadlatujące fotony, nabierają energii i po chwili ją oddają, tym razem emitując fotony. Fizyk postanowił zrozumieć, jak dokładnie zachowuje się foton wpadający w chmurę elektronową.
Opracowanie sposobu na pomiar tak złożonego procesu trwało trzy lata. Zaczęło się od prób przepuszczania pojedynczych fotonów przez atomy rubidu, schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. W końcu odnotowano coś ciekawego: gdy foton został zaabsorbowany, atom emitował go niemal natychmiast. Elektrony zachowywały się tak, jakby oddawały nabytą energię jeszcze zanim zdążyły powrócić na swoje miejsce.
Badacze pracowali dalej, próbując zmierzyć, ile w takim razie trwa sam proces absorpcji fotonów przez atomy. Zdawałoby się, że powinien być to czas, odpowiadający opóźnieniu, jakiego światło doświadcza, przechodząc przez stojące mu na drodze atomy. Jednak właśnie w tym ujęciu, opóźnienie zdaje się być ujemne. W tej sytuacji można się pokusić o interpretację, w której prędkość fotonów przechodzących przez ośrodek jest większa niż prędkość światła w próżni (nie narusza to jednak postulatów szczególnej teorii względności, ponieważ efekt nie pozwala na przekaz informacji), lub też fotony ulegają absorpcji w ujemnym odcinku czasu.
Zajęło nam to dodatnią ilość czasu, ale nasz eksperyment, w którym zaobserwowano, jak fotony sprawiają, że atomy wydają się spędzać “ujemną” ilość czasu w stanie wzbudzonym, dobiegł końca! Brzmi szalenie, wiem.
Aephraim Steinberg na X
Jakkolwiek hipoteza Steinberga rzuca nieco nowego światła na mechanikę kwantową, sama idea ujemnego czasu, nie jest czymś całkowicie nowym. Już w latach 60. Thomas Hartman sugerował, że cząstka poddająca się zjawisku tunelowania kwantowego, może “przeskoczyć” przeszkodę szybciej, niż mogłaby tego dokonać, zwyczajnie przesuwając się przez przestrzeń. Zespół z Toronto doskonale zna ten problem, ponieważ analizował go w 2020 roku.
Obie sprawy potwierdzają, że obiekty subatomowe do momentu dokonania pomiaru pozostają rozsmarowane w fali prawdopodobieństwa – rozmywając swoje położenie zarówno w przestrzeni, jak i na osi czasu. Niemniej, poruszamy się w obszarze reguł kwantowych i jak twierdzi sam Steinberg, daleko stąd do wyciągania wniosków, dotyczących postrzegania strzałki czasu w naszej, makroskopowej skali.
Preprint artykułu Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud znajdziecie na stronie arXiv.org. Jeżeli chcielibyście się dowiedzieć czegoś więcej o charakterze czasu w fizyce kwantowej, dajcie znać w komentarzach, a może namówię prof. Steinberga na mały wywiad.
