Квантовите физици са запознати с чудати и на пръв поглед безсмислени явления: атомите и молекулите понякога действат като частици, понякога като вълни; частиците могат да бъдат свързани помежду си чрез „призрачно действие на разстояние“, дори на големи разстояния; а квантовите обекти могат да се отделят от своите свойства, както Чеширският котарак от „Приключенията на Алиса в Страната на чудесата“ се отделя от своята усмивка. Сега изследователи, ръководени от Даниела Ангуло от Университета в Торонто, разкриха още един странен квантов резултат: фотоните, вълновите частици на светлината, могат да прекарат отрицателно време, преминавайки през облак от охладени атоми. С други думи, изглежда, че фотоните излизат от даден материал, преди да влязат в него.

„Отне ни известно време, но нашият експеримент, при който наблюдавахме, че фотоните могат да накарат атомите да изглеждат, че прекарват „отрицателно“ време във възбудено състояние, приключи“, пише Ефраим Щайнберг, физик от Университета в Торонто, в публикация в X (бивш Twitter) за новото изследване, което е качено в сървъра arXiv.org на 5 септември и все още не е рецензирано.

Идеята за тази работа възниква през 2017 г. По онова време Щайнберг и колегата му от лабораторията, тогава докторант Джосая Синклер, се интересуват от взаимодействието на светлината и материята, по-специално от явление, наречено атомно възбуждане: когато фотоните преминават през среда и се поглъщат, електроните, които се въртят около атомите в тази среда, прескачат на по-високи енергийни нива. Когато тези възбудени електрони се върнат в първоначалното си състояние, те освобождават погълнатата енергия като повторно излъчени фотони, което води до забавяне на времето, наблюдавано при преминаването на светлината през средата.

Екипът на Синклер иска да измери това забавяне (което понякога се нарича технически „групово забавяне“) и да разбере дали то зависи от съдбата на този фотон: дали е бил разпръснат и погълнат в атомния облак, или е бил предаден без никакво взаимодействие? „По онова време не бяхме сигурни какъв е отговорът и смятахме, че на такъв основен въпрос за нещо толкова фундаментално трябва да е лесно да се отговори“, казва Синклер. „Но с колкото повече хора разговаряхме, толкова повече осъзнавахме, че макар всеки да има собствена интуиция или предположение, няма експертен консенсус за това какъв би бил правилният отговор.“ Тъй като естеството на тези закъснения може да бъде толкова странно и контраинтуитивно, някои изследователи бяха отписали явлението като фактически безсмислено за описване на всяко физическо свойство, свързано със светлината.

След тригодишно планиране екипът разработва апарат, с който да провери този въпрос в лабораторията. Експериментите им включват изстрелване на фотони през облак от свръхстудени рубидиеви атоми и измерване на получената степен на атомно възбуждане. В резултат на експеримента се появяват две изненади: понякога фотоните преминават невредими, но рубидиевите атоми продължават да се възбуждат - и то толкова дълго, колкото и ако бяха погълнали тези фотони. Още по-странно е, че когато фотоните са погълнати, те се излъчват отново почти мигновено, много преди рубидиевите атоми да се върнат в основното си състояние - сякаш фотоните средно напускат атомите по-бързо от очакваното.

Екипът си сътрудничи с Хауърд Уайзман, теоретичен и квантов физик от университета „Грифит“ в Австралия, за да намери обяснение. Създадената теоретична рамка показа, че времето, което тези излъчени фотони прекарват като атомно възбуждане, съвпада напълно с очакваното групово закъснение, придобито от светлината - дори в случаите, когато изглежда, че фотоните са били излъчени отново, преди атомното възбуждане да е отшумяло.

За да разберете странната констатация, можете да си представите фотоните като размити квантови обекти, в които поглъщането и повторното излъчване на всеки фотон чрез атомно възбуждане не е гарантирано за определен фиксиран период от време; по-скоро то се осъществява в размита, вероятностна област от времеви стойности. Както показват експериментите на екипа, тези стойности могат да включват случаи, когато времето за преминаване на отделен фотон е мигновено - или, което е странно, когато то завършва, преди атомното възбуждане да е спряло, което дава отрицателна стойност.

„Бяхме напълно изненадани от това предсказание“, казва Синклер, говорейки за съвпадението между груповото забавяне и времето, което предадените фотони са прекарали като атомни възбуждания. „И веднага щом се уверихме, че не сме сбъркали, Щайнберг и останалата част от екипа започнаха да планират да направят последващ експеримент, за да проверят това безумно предсказание за отрицателно време на престой и да видят дали теорията ще се потвърди.“

Този последващ експеримент, ръководен от Ангуло, за който Стайнберг говори в X, може да бъде разбран, като се разгледат двата начина, по които може да се предаде фотон. При единия фотонът носи своеобразни очила и игнорира напълно атома, като го напуска, без дори да кимне. В другия случай той взаимодейства с атома, повишавайки го до по-високо енергийно ниво, преди да бъде излъчен отново.

„Когато видите предаден фотон, не можете да разберете кое от тези събития се е случило“, казва Щайнберг и добавя, че тъй като фотоните са квантови частици в квантовата сфера, двата резултата могат да бъдат в суперпозиция - и двете неща могат да се случат едновременно. „Измервателното устройство се оказва в суперпозиция от измерване на нула и измерване на някаква малка положителна стойност.“ Съответно това също така означава, че понякога „измервателното устройство се оказва в състояние, което изглежда не като „нула“ плюс „нещо положително“, а като „нула“ минус „нещо положително“, което води до нещо, което изглежда като грешен знак, отрицателна стойност за това време на възбуждане“.

Резултатите от измерванията в експеримента на Ангуло и нейните колеги показват, че фотоните се движат през средата по-бързо, когато възбуждат атомите, отколкото когато атомите остават в основното си състояние. (Фотоните не предават никаква информация, така че резултатът не противоречи на ограничението на скоростта „нищо не може да се движи по-бързо от светлината“, установено от Специалната теория на относителността на Айнщайн).

„Отрицателното времево забавяне може да изглежда парадоксално, но то означава, че ако се построи „квантов“ часовник, който да измерва колко време атомите прекарват във възбудено състояние, при определени обстоятелства стрелката на часовника ще се движи по-скоро назад, отколкото напред“, завършва Синклер. С други думи, времето, през което фотоните са били погълнати от атомите, е отрицателно.

Въпреки че явлението е удивително, то не оказва влияние върху разбирането ни за самото време, но за пореден път илюстрира, че квантовият свят все още крие изненади.

Снимка: Unsplash

Виж още: Учени за първи път картографираха всеки неврон в мозъка на възрастно животно (ВИДЕО)