НаверхКвантовые физики обнаружили «отрицательное время» в странном эксперименте
Физики показали, что фотоны могут покидать материал до того, как войдут в него, что является наблюдательным доказательством отрицательного времени.
Время может принимать отрицательные значения в квантовой области.
Квантовые физики знакомы с причудливыми, казалось бы, бессмысленными явлениями: атомы и молекулы иногда ведут себя как частицы, иногда — как волны; частицы могут быть связаны друг с другом «жутким дальнодействием» даже на больших расстояниях; а квантовые объекты могут отделяться от своих свойств, как Чеширский кот из «Алисы в стране чудес» отделяется от своей улыбки. Теперь исследователи под руководством Даниэлы Ангуло из Университета Торонто обнаружили еще один странный квантовый результат: фотоны, волновые частицы света, могут проводить отрицательное количество времени, проносясь сквозь облако охлажденных атомов. Другими словами, фотоны могут покидать материал до того, как войдут в него.
«На это ушло положительное количество времени, но наш эксперимент, наблюдающий, что фотоны могут заставить атомы казаться, что они проводят отрицательное количество времени в возбужденном состоянии, готов!» — написал Эфраим Штейнберг, физик из Университета Торонто, в сообщении на X (ранее Twitter) о новом исследовании, которое было загружено на сервер препринтов arXiv.org 5 сентября и еще не прошло рецензирование.
Идея этой работы возникла в 2017 году. В то время Штейнберг и его коллега по лаборатории, тогда еще аспирант Джозайя Синклер, интересовались взаимодействием света и материи, в частности, явлением, называемым атомным возбуждением: когда фотоны проходят через среду и поглощаются, электроны, вращающиеся вокруг атомов в этой среде, переходят на более высокие энергетические уровни. Когда эти возбужденные электроны возвращаются в свое первоначальное состояние, они высвобождают эту поглощенную энергию в виде переизлученных фотонов, что приводит к временной задержке в наблюдаемом времени прохождения света через среду.
Команда Синклера хотела измерить эту временную задержку (которую иногда технически называют «групповой задержкой») и узнать, зависит ли она от судьбы этого фотона: был ли он рассеян и поглощен внутри атомного облака, или он был передан без какого-либо взаимодействия? «В то время мы не были уверены, каким будет ответ, и нам казалось, что такой основной вопрос о чем-то столь фундаментальном должен быть легко отвечен», — говорит Синклер. «Но чем больше людей мы спрашивали, тем больше мы понимали, что, хотя у всех была своя интуиция или догадка, не было экспертного консенсуса о том, каким будет правильный ответ». Поскольку природа этих задержек может быть настолько странной и контринтуитивной, некоторые исследователи списали это явление как фактически бессмысленное для описания какого-либо физического свойства, связанного со светом.
После трех лет планирования его команда разработала аппарат для проверки этого вопроса в лаборатории. Их эксперименты включали в себя выстреливание фотонов через облако ультрахолодных атомов рубидия и измерение результирующей степени атомного возбуждения. Из эксперимента возникли два сюрприза: иногда фотоны проходили сквозь него невредимыми, но атомы рубидия все равно возбуждались — и ровно столько же времени, как если бы они поглотили эти фотоны. Еще более странно, когда фотоны поглощались, они, казалось, переизлучались почти мгновенно, задолго до того, как атомы рубидия возвращались в свое основное состояние — как будто фотоны, в среднем, покидали атомы быстрее, чем ожидалось.
Затем команда сотрудничала с Говардом Вайзманом, теоретическим и квантовым физиком из Университета Гриффита в Австралии, чтобы разработать объяснение. Возникшая теоретическая основа показала, что время, которое эти переданные фотоны проводили в виде атомного возбуждения, идеально соответствовало ожидаемой групповой задержке, приобретаемой светом, — даже в тех случаях, когда казалось, что фотоны были переизлучены до того, как атомное возбуждение спало.
Чтобы понять это бессмысленное открытие, можно представить фотоны как нечеткие квантовые объекты, которыми они и являются, в которых поглощение и переизлучение любого данного фотона через атомное возбуждение не гарантированно происходит за определенное фиксированное количество времени; скорее, это происходит в размытом, вероятностном диапазоне временных значений. Как показали эксперименты команды, эти значения могут включать случаи, когда время прохождения отдельного фотона мгновенно или, что странно, когда оно завершается до того, как атомное возбуждение прекратилось, что дает отрицательное значение.
«Могу обещать вам, что мы были совершенно удивлены этим предсказанием», — говорит Синклер, имея в виду соответствие между групповой задержкой и временем, которое переданные фотоны проводили в виде атомных возбуждений. «И как только мы были уверены, что не ошиблись, Штейнберг и остальная часть команды — я к тому времени уже перешел на постдокторскую работу в [Массачусетский технологический институт] — начали планировать последующий эксперимент, чтобы проверить это сумасшедшее предсказание отрицательного времени пребывания и посмотреть, подтвердится ли теория».
Этот последующий эксперимент, проведенный Ангуло и разрекламированный Штейнбергом на X, можно понять, рассмотрев два способа передачи фотона. В одном случае фотон как бы надевает шоры и полностью игнорирует атом, уходя, даже не кивнув. В другом случае он взаимодействует с атомом, поднимая его на более высокий энергетический уровень, прежде чем быть переизлученным.
«Когда вы видите переданный фотон, вы не можете знать, что из этого произошло», — говорит Штейнберг, добавляя, что, поскольку фотоны являются квантовыми частицами в квантовой области, два исхода могут находиться в суперпозиции — обе вещи могут происходить одновременно. «Измерительное устройство оказывается в суперпозиции измерения нуля и измерения некоторого небольшого положительного значения». Но соответственно, отмечает Штейнберг, это также означает, что иногда «измерительное устройство оказывается в состоянии, которое выглядит не как «ноль» плюс «что-то положительное», а как «ноль» минус «что-то положительное», что приводит к тому, что выглядит как неправильный знак, отрицательное значение, для этого времени возбуждения».
Результаты измерений в эксперименте Ангуло и ее коллег предполагают, что фотоны двигались через среду быстрее, когда они возбуждали атомы, чем когда атомы оставались в своем основном состоянии. (Фотоны не передают никакой информации, поэтому результат не противоречит пределу скорости «ничто не может двигаться быстрее света», установленному специальной теорией относительности Эйнштейна.)
«Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но это означает, что если бы вы построили «квантовые» часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах двигалась бы назад, а не вперед», — говорит Синклер. Другими словами, время, в течение которого фотоны поглощались атомами, отрицательно.
Хотя это явление поразительно, оно не влияет на наше понимание самого времени — но оно еще раз иллюстрирует, что квантовый мир все еще таит в себе сюрпризы.
«[Ангуло] и остальная часть команды добились чего-то действительно впечатляющего и получили прекрасный набор измерений. Их результаты поднимают интересные вопросы об истории фотонов, проходящих через поглощающие среды, и требуют переосмысления физического значения групповой задержки в оптике», — говорит Синклер.
Вселенная смеётся над нами: 95% реальности остаются неразгаданными
