Ученые наблюдали фотоны, которые выходят из материала раньше, чем входят.
Исследование ученых из Университета Торонто продемонстрировало существование «отрицательного времени» в квантовых процессах. В ходе эксперимента физики наблюдали, как фотоны, волновые частицы света, могут выходить из материала до того, как в него войдут, что предоставило первое экспериментальное подтверждение феномена отрицательного времени.
В квантовой физике давно известны странные явления, такие как способность атомов и молекул вести себя как частицы или волны, а также так называемое «жуткое действие на расстоянии», когда частицы взаимодействуют друг с другом на огромных дистанциях. К этому перечню добавилось новое открытие команды под руководством Даниэлы Ангуло: фотоны могут проводить отрицательное количество времени, проходя через облако охлажденных атомов. Другими словами, фотоны кажутся выходящими из материала еще до того, как войдут в него.
«На проведение эксперимента ушло много времени, но теперь мы наблюдаем, что фотоны могут заставить атомы казаться находящимися в возбужденном состоянии отрицательное количество времени», — написал один из участников исследования, физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто, в своем посте на платформе X (бывший Twitter). Исследование было размещено на сервере предварительных публикаций arXiv.org 5 сентября 2024 года и еще не прошло рецензирование.
Идея проведения такого эксперимента возникла еще в 2017 году. Тогда Стейнберг и его коллега, аспирант Джосайя Синклер, заинтересовались взаимодействием света и материи, в частности процессом возбуждения атомов. Когда фотоны проходят через среду и поглощаются, электроны атомов переходят на более высокий энергетический уровень. При возвращении в исходное состояние атомы испускают поглощенную энергию в виде переизлученных фотонов, что вызывает временную задержку при прохождении света через материал.
Команда Синклера стремилась измерить эту задержку и выяснить, зависит ли она от того, был ли фотон поглощен атомами или прошел через них, не взаимодействуя. «На тот момент мы не знали ответа на этот вопрос, хотя казалось, что это элементарный вопрос для фундаментальной науки», — отметил Синклер. Однако оказалось, что среди ученых нет единого мнения на этот счет. Некоторым этот эффект казался слишком странным и контринтуитивным, и они даже полагали его несущественным для описания физических свойств света.
После трех лет планирования команда разработала установку для проверки этого вопроса в лаборатории. Эксперименты включали в себя пропускание фотонов через облако ультрахолодных атомов рубидия и измерение уровня возбуждения атомов. Результаты экспериментов оказались удивительными : иногда фотоны проходили через атомы, не подвергаясь рассеянию, но атомы при этом возбуждались точно так же, как если бы они поглотили эти фотоны. Еще более удивительным было то, что при поглощении фотонов их переизлучение происходило почти мгновенно, задолго до того, как атомы возвращались в свое исходное состояние. Казалось, что фотоны покидали атомы быстрее, чем ожидалось.
Затем команда объединилась с теоретиком Говардом Уайзманом из Университета Гриффита в Австралии, чтобы предложить объяснение этому феномену. В результате был разработан теоретический каркас , показывающий, что время, которое передаваемые фотоны проводят в возбужденном состоянии атома, идеально совпадает с ожидаемой групповой задержкой света — даже в тех случаях, когда казалось, что фотоны переизлучаются до завершения возбуждения атомов.
Для того чтобы понять это странное явление, фотоны необходимо рассматривать как квантовые объекты, которые взаимодействуют с атомами в пределах вероятностного диапазона временных значений. Эти значения могут включать случаи, когда транзит фотона через атом оказывается мгновенным, или даже такие, когда фотон, как бы парадоксально это ни звучало, завершает свое прохождение через атомы раньше, чем возбуждение атомов прекращается, что и приводит к отрицательному значению времени.
«Нас полностью удивило это предсказание», — признался Синклер, ссылаясь на то, как групповая задержка совпала с временем нахождения фотонов в возбужденном состоянии атомов. «Как только мы убедились, что не ошиблись, Стейнберг и команда начали планировать проведение последующего эксперимента для проверки этого предсказания и увидеть, устоит ли теория».
Последующий эксперимент, который возглавила Ангуло, можно понять через рассмотрение двух способов, которыми фотоны могут быть переданы. В одном случае фотон вообще не взаимодействует с атомом, а просто проходит через него, не оставляя следа. Во втором — фотон взаимодействует с атомом, возбуждает его, а затем повторно излучается. Проблема в том, что невозможно точно определить, какой из этих сценариев произошел в каждом конкретном случае.
Стейнберг отметил, что в квантовой механике оба исхода могут происходить одновременно, находясь в суперпозиции. Измерительное устройство может зафиксировать одновременно два результата: и нулевое, и положительное значение. Но иногда измеритель фиксирует состояние, которое напоминает не «ноль плюс что-то положительное», а «ноль минус что-то положительное», что и приводит к отрицательному значению времени.
Результаты эксперимента Ангуло показали, что фотоны проходят через атомы быстрее, когда те возбуждены, чем когда они остаются в исходном состоянии. Это явление не нарушает теорию относительности Эйнштейна, поскольку фотоны не передают информацию быстрее скорости света.
Джосайя Синклер пояснил, что отрицательная задержка времени не является парадоксом в классическом смысле. Если бы было создано квантовое устройство для измерения времени, проведенного атомами в возбужденном состоянии, стрелка на таких часах в некоторых случаях двигалась бы назад. В результате, время, в течение которого атомы поглощают фотоны, оказывается отрицательным.
Хотя этот феномен ошеломляет, он не меняет наши представления о времени, но демонстрирует, что квантовый мир продолжает удивлять нас своими загадками.