Квантовая одиссея: физики измерили «отрицательное время» в лаборатории

Как гласят легенды, путь Одиссея домой был полон странствий, но часть времени он провел у нимфы Калипсо. В квантовом мире частицы ведут себя еще более хитроумно. Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, доказывает: частицы могут находиться в среде «отрицательное» количество времени, и это не просто математическая ошибка, а реальный физический эффект.

В ходе эксперимента ученые использовали фотоны — квантовые частицы света, которые должны были пройти сквозь облако атомов рубидия. Эти атомы обладают «резонансом»: они могут временно поглощать энергию фотона, переходя в возбужденное состояние. В этот момент фотон как бы «задерживается» внутри облака перед тем, как быть переизлученным.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, если энергия фотона четко определена для резонанса с рубидием, то время его появления становится неопределенным. Импульс света получается растянутым во времени, и мы можем знать лишь среднее время его входа в облако. Обычно фотоны рассеиваются атомами в случайных направлениях, но некоторые проходят насквозь.

Странности начинаются, когда физики анализируют фотоны, прошедшие сквозь облако без рассеивания. Расчеты показывают, что такие фотоны прибывают к детектору гораздо раньше, чем ожидалось. Создается впечатление, что частица провела внутри облака «отрицательное» время — то есть покинула его раньше, чем вошла.

Десятилетиями этот эффект, замеченный еще в 1993 году, считали оптической иллюзией. Физики полагали, что сквозь облако просто проходит только передний край длинного светового импульса, а остальная часть рассеивается. Это создавало видимость раннего прибытия, которую не воспринимали всерьез.

Исследователи из Университета Торонто решили проверить, что «думают» об этом сами атомы рубидия. Они хотели выяснить, как долго фотон пребывал в них в виде энергии возбуждения.

Проблема в том, что прямое и точное измерение в квантовой физике разрушает сам процесс (эффект Зенона). Чтобы не мешать взаимодействию, ученые применили метод «слабого измерения». Они пропустили через облако дополнительный слабый лазерный луч и по изменению его фазы определили уровень возбуждения атомов.

Результаты оказались поразительными. Усреднение миллионов запусков эксперимента показало, что время «пребывания» фотона в атомах точно совпадает с тем самым отрицательным значением, которое давали расчеты времени прибытия.

Важно, что это значение нельзя объяснить простым отсечением части импульса. Отрицательное время пребывания — это не артефакт измерений, а реальный эффект, который оказывает измеримое воздействие на атомное облако. Хотя это не означает создание машины времени, эксперимент доказывает, что в квантовом мире время может вести себя гораздо парадоксальнее, чем мы привыкли считать. Исследование подтверждает, что в квантовой одиссее еще полно неизведанных земель.

Источник: theconversation

Больше новостей в телеграм-канале: Quantum Drift