«Отрицательное время» действительно существует, предполагают новые эксперименты

Как рассказывает нам Гомер, Одиссей, несмотря ни на что, совершил эпическое путешествие из Трои в свой дом на Итаке. Он побывал во многих странах, но преимущественно жил с нимфой Калипсо на ее острове.

Можно представить, что его жена Пенелопа спросила бы его об этом конкретном времени. Одиссей мог бы ответить: «Это было ничего. На самом деле, это было меньше, чем ничего. Минус пять лет я прожил с Калипсо. Как еще я мог вернуться домой всего через десять лет? Если вы мне не верите, спросите ее».

Оказывается, квантовые частицы столь же коварны, как и Одиссей, как мы показали в эксперименте, опубликованном в Physical Review Letters.

Нет только время их прибытия может предположить, что они жили с другими частицами в течение отрицательного промежутка времени, но если спросить эти другие частицы, они подтвердят эту историю.

Фотоны, живущие вместе с атомами

В нашем эксперименте использовались фотоны – квантовые частицы света – и вопреки всему путешествие, которое они должны предпринять, чтобы пройти прямо через облако атомов рубидия.

Эти атомы имеют «резонанс» с фотонами, что означает энергию фотон может временно передаваться атомам в качестве атомного возбуждения. Это позволяет фотону «пребывать» в атомном облаке некоторое время, прежде чем высвободиться.

Чтобы этот резонанс был эффективным, фотон должен иметь четко определенную энергию, соответствующую количеству энергии, необходимой для перевода атома рубидия в возбужденное состояние.

Но, согласно знаменитому принципу неопределенности Гейзенберга, если энергия фотона четко определена, то его время должно быть неопределенным: импульс света, который занимает фотон, должен иметь большую продолжительность. Это означает, что мы не можем знать точно, когда фотон входит в облако, но мы можем знать в среднем, когда он входит.

Если такой фотон попадает в облако, наиболее вероятным результатом будет то, что его энергия будет передана атомам, а затем повторно испущена в виде фотона, путешествующего в случайном направлении. В таких случаях фотон рассеивается и не может достичь своей Итаки.

Время прибытия фотона

Но если фотон все-таки проходит сквозь него, происходит странная вещь.

Основываясь на среднем времени, когда фотон попадает в облако, можно вычислить ожидаемое среднее время, когда он достигнет дальней стороны облака, предполагая, что он движется со скоростью света (как это обычно делают фотоны).

Обнаружено, что фотон на самом деле прилетает гораздо раньше. Фактически, он прибывает так рано, что, похоже, проводит внутри облака отрицательное количество времени – в среднем, чтобы выйти из него до того, как войти.

Этот эффект известен уже несколько десятилетий и наблюдался в эксперименте 1993 года. Но физики в основном решили не воспринимать это отрицательное время всерьез.

Это потому, что его можно объяснить тем, что только самый фронт длительного импульса проходит прямо через атомное облако, а остальная часть рассеивается. Это приводит к успешному (нерассеянному) фотону, прибывающему раньше, чем можно было бы наивно ожидать.

Задавая вопрос атомам

Однако Эфраим Стейнберг, один из авторов этой статьи 1993 года, не так быстро принял это игнорирование отрицательного времени как артефакта.

В своей лаборатории в Университете Торонто он хотел выяснить, что произойдет, если кто-то спросит об атомах рубидия в облаке. чтобы выяснить, как долго фотон находился среди них в качестве возбуждения.

После первоначального эксперимента с безрезультатными результатами он попросил меня, как квантового теоретика, помочь понять, чего ожидать.

Когда мы говорим об исследовании атомов, на практике это означает постоянное измерение атомов, пока фотон проходит через облако, чтобы проверить, находится ли там в настоящее время энергия фотона.

Но есть здесь есть тонкость: измерения в квантовой физике неизбежно нарушают измеряемую систему.

Если бы мы могли точно измерить, находится ли фотон в атомах, в каждый момент времени, мы бы предотвратили взаимодействие атомов с фотоном.

Это как если бы, просто внимательно наблюдая за Калипсо, мы не позволили бы ей заполучить Одиссея (или наоборот). Это хорошо известный квантовый эффект Зенона, который разрушит то самое явление, которое мы хотим изучить.

Наш эксперимент

Решение состоит в том, чтобы вместо этого провести очень неточное (но все же очень точно откалиброванное) измерение. Такова цена, которую приходится платить за то, чтобы возмущение было незначительным.

В частности, мы пропустили слабый лазерный луч – не связанный с одиночным фотонным импульсом – через облако атомов и измерили небольшие изменения фазы света луча, чтобы проверить, возбуждены ли атомы.

Любой отдельный запуск эксперимента дает лишь очень приблизительное представление о том, были ли фотон находился в атомах, но усреднение миллионов прогонов дает точное время пребывания.

Удивительно, но результат этого слабого измерения времени пребывания, когда фотон проходит прямо через облако, в точности равен отрицательному времени, предполагаемому средним временем прибытия фотонов.

До нашей работы никто не подозревал, что эти два времени, измеренные совершенно разными способами, будут равны.

Важно отметить, что отрицательное время Значение слабо измеряемого времени пребывания нельзя объяснить, представляя, что проходит только передняя часть импульса фотона, в отличие от времени, выведенного из времени прибытия.

По теме: Атомные часы могут раскрыть скрытую квантовую природу самого времени

Так что же все это значит? Машина времени не за горами?

К сожалению, нет. Наш эксперимент полностью объясняется стандартной физикой.

Но он показывает, что отрицательное время пребывания не является артефактом. Каким бы парадоксальным это ни казалось, оно оказывает непосредственно измеримое воздействие на атомное облако, через которое проходит фотон.

И это напоминает нам, что в одиссее квантовых исследований еще есть области, которые предстоит открыть.

Говард Уайзман, директор Центра квантовой динамики, Университет Гриффита

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.