„Негативно време” заиста ПОСТОЈИ

Како је Хомер опевао, Одисеј је, против свих очекивања, кренуо на епско путовање од Троје до свог дома на Итаки. Посетио је многе земље, али је углавном живео са нимфом Калипсо на њеном острву. Можемо замислити да би га његова жена, Пенелопа, питала о том конкретном времену. Одисеј би можда одговорио: „Ништа. У ствари, мање од ничега. Негативних пет година живео сам са Калипсо. Како бих иначе могао да се вратим кући после само десет година? Ако ми не верујете, питајте њу". Испоставља се да су квантне честице једнако лукаве као и Одисеј, као што се показало у једном недавном експерименту.

Фотони који живе са атомима

"Наш експеримент је користио фотоне – квантне честице светлости – и путовање против свих очекивања које морају предузети да би прошли директно кроз облак атома рубидијума. Ови атоми имају „резонансу” са фотонима, што значи да се енергија фотона може привремено пренети на атоме као атомско побуђивање. Ово омогућава фотону да „борави” у атомском облаку неко време пре него што се ослободи. Да би ова резонанца била ефикасна, фотон мора да има добро дефинисану енергију, која одговара количини енергије потребној да се атом рубидијума доведе у побуђено стање. Али, према облику Хајзенберговог чувеног принципа неодређености, ако је енергија фотона добро дефинисана, онда његово време мора бити неизвесно: импулс светлости који фотон заузима мора имати дуго трајање. То значи да не можемо тачно знати када фотон улази у облак, али можемо знати у просеку када улази", каже Howard Wiseman, директор Центра кватне динамике са Griffith University.

Ако се овакав фотон испали у облак, највероватнији исход је да ће се његова енергија пренети на атоме, а затим поново емитовати као фотон који путује у насумичном смеру. У таквим случајевима, фотон се расејава и не успева да стигне до своје Итаке.

Времена доласка фотона

Али, ако фотон прође директно кроз облак, дешава се нешто чудно. На основу просечног времена када фотон уђе у облак, може се израчунати очекивано просечно време доласка на другу страну облака, под претпоставком да путује брзином светлости. Оно што се открива јесте да фотон заправо стиже много раније од тога. У ствари, стиже тако рано да изгледа као да је провео негативну количину времена унутар облака – да би, у просеку, изашао пре него што уђе, пише Science Alert.

Овај ефекат је познат деценијама и примећен је у експерименту из 1993. године. Али, физичари су углавном одлучили да ово негативно време не схватају озбиљно. То је зато што се може објаснити тиме да само сам предњи део дуготрајног импулса пролази директно кроз атомски облак, док се остатак расејава. То доводи до успешног нерасејаног фотона који стиже раније него што би се наивно очекивало.

Испитивање атома

Међутим, Ефраим Штајнберг, један од аутора тог рада из 1993. године, није тако брзо прихватио ово одбацивање негативног времена као артефакта. У својој лабораторији на Универзитету у Торонту, желео је да сазна шта се дешава ако се испитају атоми рубидијума у ​​облаку да би се сазнало колико дуго је фотон провео боравећи међу њима као побуђење.

Након почетног експеримента са неубедљивим резултатима, замолио ме је, као квантног теоретичара, за помоћ да схвати шта да очекује.

Када говоримо о испитивању атома, то у пракси значи континуирано мерење атома док фотон пролази кроз облак, како би се испитало да ли се енергија фотона тренутно налази тамо. Али, овде постоји суптилност: мерења у квантној физици неизбежно ремете систем који се мери.

Ако бисмо прецизно измерили да ли се фотон налази у атомима, у сваком тренутку, спречили бисмо интеракцију атома са фотоном. Као да бисмо, само пажљиво посматрајући Калипсо, спречили да она дође до Одисеја (или обрнуто). Ово је добро познати квантни Зенонов ефекат, који би уништио сам феномен који желимо да проучавамо.

Решење је, уместо тога, направити веома непрецизно (али и даље веома тачно калибрисано) мерење. То је цена која се плаћа да би се поремећај одржао занемарљивим. Конкретно, испалили смо слаб ласерски сноп – који није повезан са импулсом једног фотона – кроз облак атома и мерили мале промене у фази светлости снопа како бисмо испитали да ли су атоми побуђени.

Било који појединачни експеримент nt даје само веома грубу индикацију да ли се фотон задржао у атомима, али усредњавање милиона пролаза даје тачно време задржавања.

Запањујуће је да је резултат овог слабог мерења времена задржавања, када фотон пролази директно кроз облак, тачно једнак негативном времену које сугерише просечно време доласка фотона.

"Пре нашег рада, нико није сумњао да ће ова два времена, мерена на потпуно различите начине, бити једнака. Кључно је да се негативна вредност слабо измереног времена задржавања не може објаснити замишљањем да само предњи део импулса фотона пролази, за разлику од времена закљученог из времена доласка", објаснио је Wiseman.