Φυσικοί επιβεβαίωσαν τον «αρνητικό χρόνο» σε πείραμα με φωτόνια

Φυσικοί επιβεβαίωσαν μέσα από μια σειρά πειραμάτων ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής: ότι φωτόνια, δηλαδή σωματίδια φωτός, μπορούν να φαίνεται πως περνούν μέσα από ένα νέφος ατόμων σε…«αρνητικό χρόνο».

Τι σημαίνει αυτό; Με απλά λόγια, το αποτέλεσμα δείχνει ότι σε ορισμένες συνθήκες το φως μοιάζει να βγαίνει από το νέφος πριν ακόμη μπει πλήρως σε αυτό! Όσο εντυπωσιακό κι αν ακούγεται, οι ίδιοι οι ερευνητές τονίζουν ότι δεν πρόκειται για βήμα προς μια μηχανή του χρόνου, αλλά για ακόμη μία ένδειξη του πόσο διαφορετικά λειτουργεί ο κβαντικός κόσμος από την καθημερινή μας εμπειρία.

Ο Howard Wiseman, θεωρητικός κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Griffith της Αυστραλίας και συν-συγγραφέας της μελέτης, εξήγησε στο μέσο Live Science ότι το φαινόμενο μπορεί να κατανοηθεί με βάση τη γνωστή φυσική. Παρ’ όλα αυτά, παραμένει ένα απροσδόκητο και παράξενο χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής.

Όταν μια δέσμη φωτός περνά μέσα από ένα νέφος ατόμων, κάποια φωτόνια μπορούν προσωρινά να απορροφηθούν. Εκείνη τη στιγμή δεν υπάρχουν πλέον ως σωματίδια φωτός, αλλά μετατρέπονται σε ατομικές διεγέρσεις, δηλαδή σε αποθηκευμένη ενέργεια μέσα στα άτομα. Στη συνέχεια, επανεκπέμπονται ξανά ως φωτόνια. Μερικά συνεχίζουν περίπου προς την αρχική τους κατεύθυνση και ονομάζονται διερχόμενα φωτόνια, ενώ άλλα σκορπίζονται προς τυχαίες κατευθύνσεις.

Πειράματα ήδη από το 1993 είχαν δείξει κάτι ασυνήθιστο: τα διερχόμενα φωτόνια έφταναν στον ανιχνευτή πριν το κέντρο του ίδιου του παλμού φωτός μπει στο νέφος. Αυτό οδηγούσε στην ιδέα ενός αρνητικού χρόνου διέλευσης. Ωστόσο, υπήρχε μια πιθανή απλούστερη εξήγηση. Ίσως τα φωτόνια που βρίσκονταν στην αρχή του παλμού είχαν μεγαλύτερη πιθανότητα να περάσουν, ενώ εκείνα στο τέλος όχι. Άρα, αν οι επιστήμονες μετρούσαν μόνο τα φωτόνια που τελικά περνούσαν, θα μπορούσε να φαίνεται τεχνητά ότι έφταναν νωρίτερα.

Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές δεν περιορίστηκαν στο να παρακολουθήσουν πότε έφτανε ένα φωτόνιο στον ανιχνευτή. Αντίθετα, προσπάθησαν να «ρωτήσουν» τα ίδια τα άτομα πόσο χρόνο κράτησαν το φωτόνιο. Όταν ένα άτομο απορροφά ένα φωτόνιο, μπαίνει σε διεγερμένη κατάσταση, δηλαδή αποκτά επιπλέον ενέργεια, μέχρι να το επανεκπέμψει. Μετρώντας πόσο κράτησε αυτή η κατάσταση, οι φυσικοί μπορούν να εκτιμήσουν πόσο χρόνο το φωτόνιο ήταν απορροφημένο.

Για να το πετύχουν, χρησιμοποίησαν μια δεύτερη δέσμη φωτός, η οποία κατέγραφε ανεπαίσθητες αλλαγές που σχετίζονταν με το επίπεδο διέγερσης των ατόμων. Η μέτρηση αυτή λειτούργησε σαν ζωντανή ένδειξη του τι συνέβαινε στο νέφος από στιγμή σε στιγμή. Το αποτέλεσμα συμφώνησε με τα παλαιότερα πειράματα: και τα ίδια τα άτομα έδειξαν αρνητικό χρόνο.

Η επιβεβαίωση ήταν δύσκολη, επειδή οι μετρήσεις στα κβαντικά συστήματα μπορούν να τα διαταράξουν. Γι’ αυτό η ομάδα χρησιμοποίησε «ασθενείς μετρήσεις», δηλαδή πολύ ήπιες μετρήσεις που όμως παράγουν πολύ θόρυβο. Κάθε μεμονωμένη προσπάθεια ήταν σχεδόν αδύνατο να ερμηνευτεί. Μόνο αφού οι επιστήμονες συνέκριναν περίπου ένα εκατομμύριο επαναλήψεις εμφανίστηκε καθαρό σήμα. Συνολικά, η συλλογή δεδομένων κράτησε περίπου 70 ώρες.

Το επόμενο βήμα της ομάδας είναι τώρα να εξετάσει τα φωτόνια που δεν περνούν μέσα από το νέφος, αλλά σκορπίζονται. Η θεωρία προβλέπει ότι αυτά μπορεί να μεταφέρουν επιπλέον θετικό χρόνο διέγερσης, εξισορροπώντας τον αρνητικό χρόνο των διερχόμενων φωτονίων, ώστε ο συνολικός μέσος όρος της δέσμης να μένει στο μηδέν ή και πάνω από αυτό. Αυτό, όμως, δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί.

Η σχετική επιστημονική μελέτη δημοσιεύτηκε στις 13 Απριλίου στο περιοδικό Physical Review Letters και μπορείτε να βρείτε πατώντας εδώ.