Физики продемонстрировали, что фотоны, по-видимому, могут выходить из материала, прежде чем входить в него, обнаружив наблюдаемые свидетельства отрицательного времени, пишет издание Scientific American.
Квантовые физики знакомы со странными, на первый взгляд бессмысленными явлениями: атомы и молекулы иногда ведут себя как частицы, иногда как волны; частицы могут быть связаны друг с другом «жутким действием на расстоянии», даже на огромных расстояниях; квантовые объекты могут отделять себя от своих свойств, как Чеширский кот из «Приключений Алисы в Стране чудес» от своей ухмылки.
Теперь исследователи под руководством Даниэлы Ангуло из Университета Торонто обнаружили еще один странный квантовый результат: фотоны, волновые частицы света, могут тратить отрицательное количество времени, проносясь через облако охлажденных атомов. Другими словами, фотоны могут выходить из материала раньше, чем входить в него.
«Это заняло положительное количество времени, но наш эксперимент, в котором мы наблюдали, что фотоны могут заставить атомы проводить *отрицательное* количество времени в возбужденном состоянии, завершен!» — написал Афраим Стейнберг, физик из Университета Торонто, в сообщении на сайте X (бывший 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 Стейнберг и его коллега по лаборатории, тогда еще докторант Джосайя 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 исходное состояние, они высвобождают поглощенную энергию в виде переизлученных фотонов, внося временную задержку в наблюдаемое время прохождения света через среду.
Команда Синклера хотела измерить эту временную задержку (которую иногда технически называют «групповой задержкой») и узнать, зависит ли она от судьбы фотона: Был ли он рассеян и поглощен внутри атомного облака, или же он был передан без какого-либо взаимодействия?
«В то время мы не были уверены в ответе, и нам казалось, что на такой фундаментальный вопрос должно быть легко ответить», — говорит Синклер. «Но чем с большим количеством людей мы общались, тем больше понимали, что, хотя у каждого была своя интуиция или догадка, у экспертов не было единого мнения о том, каким должен быть правильный ответ».
Поскольку природа этих задержек может быть настолько странной и контринтуитивной, некоторые исследователи списали это явление со счетов как фактически бессмысленное для описания любого физического свойства, связанного со светом.
После трех лет планирования его команда разработала прибор для проверки этого вопроса в лаборатории. Их эксперименты заключались в облучении фотонами облака ультрахолодных атомов рубидия и измерении полученной степени возбуждения атомов.
Эксперимент преподнес два сюрприза: Иногда фотоны проходили сквозь облако без повреждений, но атомы рубидия все равно возбуждались — и так же долго, как если бы они поглотили эти фотоны. Еще более странно, что при поглощении фотонов они, похоже, переизлучались почти мгновенно, задолго до того, как атомы рубидия возвращались в исходное состояние — как будто фотоны в среднем покидали атомы быстрее, чем ожидалось.
Чтобы найти объяснение, команда сотрудничала с Говардом Уайзманом, физиком-теоретиком и квантовым физиком из Университета Гриффита в Австралии. Теоретическая база, которая появилась в результате, показала, что время, которое эти переданные фотоны потратили на возбуждение атомов, полностью совпадает с ожидаемой групповой задержкой, которую приобрел свет — даже в тех случаях, когда казалось, что фотоны были переизлучены до того, как возбуждение атомов утихло.
Для того чтобы понять, что это за нелепый вывод, можно представить фотоны как нечеткие квантовые объекты, которыми они являются. Поглощение и испускание любого фотона при возбуждении атома не гарантированно происходит за определенный фиксированный промежуток времени; скорее, оно происходит в размытом, вероятностном диапазоне временных значений.
Как показали эксперименты команды, эти значения могут включать в себя случаи, когда время прохождения отдельного фотона мгновенно — или, как ни странно, когда оно завершается до прекращения атомного возбуждения, что дает отрицательное значение.
«Могу сказать, что мы были совершенно удивлены этим предсказанием», — говорит Синклер, говоря о совпадении групповой задержки и времени, которое переданные фотоны провели в виде атомных возбуждений. «И как только мы убедились, что не ошиблись, Стейнберг и остальные члены команды — к тому моменту я уже перешел на постдока в Массачусетский технологический институт — начали планировать последующий эксперимент, чтобы проверить это безумное предсказание об отрицательном времени пребывания и посмотреть, подтвердится ли теория».
Этот последующий эксперимент под руководством Ангуло, о котором Стейнберг рассказывал в программе X, можно понять, если рассмотреть два способа передачи фотона. В одном случае фотон надевает своеобразные очки и полностью игнорирует атом, уходя без единого кивка. В другом случае он взаимодействует с атомом, поднимая его на более высокий энергетический уровень, а затем переизлучается.
«Когда вы видите переданный фотон, вы не можете знать, какое из этих событий произошло», — говорит Стейнберг, добавляя, что, поскольку фотоны являются квантовыми частицами в квантовом мире, эти два результата могут находиться в суперпозиции — оба события могут происходить одновременно.
«Измерительное устройство оказывается в суперпозиции, когда оно измеряет ноль и измеряет какое-то небольшое положительное значение». Но, как отмечает Стейнберг, это также означает, что иногда «измерительный прибор оказывается в состоянии, которое выглядит не как „ноль“ плюс „что-то положительное“, а как „ноль“ минус „что-то положительное“, что приводит к неправильному знаку, отрицательному значению, для данного времени возбуждения».
Результаты измерений в эксперименте Ангуло и ее коллег свидетельствуют о том, что фотоны перемещались через среду быстрее, когда они возбуждали атомы, а не когда атомы оставались в своём основном состоянии. (Фотоны не передают никакой информации, поэтому результат не противоречит ограничению скорости «ничто не может двигаться быстрее света», установленному специальной теорией относительности Эйнштейна).
Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но она означает, что если построить «квантовые» часы для измерения времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии, то при определенных обстоятельствах стрелка часов будет двигаться не вперед, а назад, — говорит Синклер. Другими словами, время, за которое фотоны были поглощены атомами, отрицательно.
Несмотря на то, что явление удивительное, оно никак не влияет на наше понимание времени как такового, но оно еще раз иллюстрирует, что квантовый мир все еще таит в себе сюрпризы.
“Ангуло и остальные члены команды добились чего-то действительно впечатляющего и произвели прекрасный набор измерений. Их результаты поднимают интересные вопросы об истории прохождения фотонов через поглощающие среды и требуют переосмысления физического значения групповой задержки в оптике”, — говорит Синклер.
