„Negativno vreme” zaista POSTOJI

Kako je Homer opevao, Odisej je, protiv svih očekivanja, krenuo na epsko putovanje od Troje do svog doma na Itaki. Posetio je mnoge zemlje, ali je uglavnom živeo sa nimfom Kalipso na njenom ostrvu. Možemo zamisliti da bi ga njegova žena, Penelopa, pitala o tom konkretnom vremenu. Odisej bi možda odgovorio: „Ništa. U stvari, manje od ničega. Negativnih pet godina živeo sam sa Kalipso. Kako bih inače mogao da se vratim kući posle samo deset godina? Ako mi ne verujete, pitajte nju". Ispostavlja se da su kvantne čestice jednako lukave kao i Odisej, kao što se pokazalo u jednom nedavnom eksperimentu.

Fotoni koji žive sa atomima

"Naš eksperiment je koristio fotone – kvantne čestice svetlosti – i putovanje protiv svih očekivanja koje moraju preduzeti da bi prošli direktno kroz oblak atoma rubidijuma. Ovi atomi imaju „rezonansu” sa fotonima, što znači da se energija fotona može privremeno preneti na atome kao atomsko pobuđivanje. Ovo omogućava fotonu da „boravi” u atomskom oblaku neko vreme pre nego što se oslobodi. Da bi ova rezonanca bila efikasna, foton mora da ima dobro definisanu energiju, koja odgovara količini energije potrebnoj da se atom rubidijuma dovede u pobuđeno stanje. Ali, prema obliku Hajzenbergovog čuvenog principa neodređenosti, ako je energija fotona dobro definisana, onda njegovo vreme mora biti neizvesno: impuls svetlosti koji foton zauzima mora imati dugo trajanje. To znači da ne možemo tačno znati kada foton ulazi u oblak, ali možemo znati u proseku kada ulazi", kaže Howard Wiseman, direktor Centra kvatne dinamike sa Griffith University.

Ako se ovakav foton ispali u oblak, najverovatniji ishod je da će se njegova energija preneti na atome, a zatim ponovo emitovati kao foton koji putuje u nasumičnom smeru. U takvim slučajevima, foton se rasejava i ne uspeva da stigne do svoje Itake.

Vremena dolaska fotona

Ali, ako foton prođe direktno kroz oblak, dešava se nešto čudno. Na osnovu prosečnog vremena kada foton uđe u oblak, može se izračunati očekivano prosečno vreme dolaska na drugu stranu oblaka, pod pretpostavkom da putuje brzinom svetlosti. Ono što se otkriva jeste da foton zapravo stiže mnogo ranije od toga. U stvari, stiže tako rano da izgleda kao da je proveo negativnu količinu vremena unutar oblaka – da bi, u proseku, izašao pre nego što uđe, piše Science Alert.

Ovaj efekat je poznat decenijama i primećen je u eksperimentu iz 1993. godine. Ali, fizičari su uglavnom odlučili da ovo negativno vreme ne shvataju ozbiljno. To je zato što se može objasniti time da samo sam prednji deo dugotrajnog impulsa prolazi direktno kroz atomski oblak, dok se ostatak rasejava. To dovodi do uspešnog nerasejanog fotona koji stiže ranije nego što bi se naivno očekivalo.

Ispitivanje atoma

Međutim, Efraim Štajnberg, jedan od autora tog rada iz 1993. godine, nije tako brzo prihvatio ovo odbacivanje negativnog vremena kao artefakta. U svojoj laboratoriji na Univerzitetu u Torontu, želeo je da sazna šta se dešava ako se ispitaju atomi rubidijuma u ​​oblaku da bi se saznalo koliko dugo je foton proveo boraveći među njima kao pobuđenje.

Nakon početnog eksperimenta sa neubedljivim rezultatima, zamolio me je, kao kvantnog teoretičara, za pomoć da shvati šta da očekuje.

Kada govorimo o ispitivanju atoma, to u praksi znači kontinuirano merenje atoma dok foton prolazi kroz oblak, kako bi se ispitalo da li se energija fotona trenutno nalazi tamo. Ali, ovde postoji suptilnost: merenja u kvantnoj fizici neizbežno remete sistem koji se meri.

Ako bismo precizno izmerili da li se foton nalazi u atomima, u svakom trenutku, sprečili bismo interakciju atoma sa fotonom. Kao da bismo, samo pažljivo posmatrajući Kalipso, sprečili da ona dođe do Odiseja (ili obrnuto). Ovo je dobro poznati kvantni Zenonov efekat, koji bi uništio sam fenomen koji želimo da proučavamo.

Rešenje je, umesto toga, napraviti veoma neprecizno (ali i dalje veoma tačno kalibrisano) merenje. To je cena koja se plaća da bi se poremećaj održao zanemarljivim. Konkretno, ispalili smo slab laserski snop – koji nije povezan sa impulsom jednog fotona – kroz oblak atoma i merili male promene u fazi svetlosti snopa kako bismo ispitali da li su atomi pobuđeni.

Bilo koji pojedinačni eksperiment nt daje samo veoma grubu indikaciju da li se foton zadržao u atomima, ali usrednjavanje miliona prolaza daje tačno vreme zadržavanja.

Zapanjujuće je da je rezultat ovog slabog merenja vremena zadržavanja, kada foton prolazi direktno kroz oblak, tačno jednak negativnom vremenu koje sugeriše prosečno vreme dolaska fotona.

"Pre našeg rada, niko nije sumnjao da će ova dva vremena, merena na potpuno različite načine, biti jednaka. Ključno je da se negativna vrednost slabo izmerenog vremena zadržavanja ne može objasniti zamišljanjem da samo prednji deo impulsa fotona prolazi, za razliku od vremena zaključenog iz vremena dolaska", objasnio je Wiseman.