Το ταξίδι και η παραμονή αποτελούν τις δύο όψεις του χρόνου, είτε μιλάμε για την πολυετή οδύσσεια του Οδυσσέα προς την Ιθάκη είτε για την κίνηση των υποατομικών σωματιδίων.
Ωστόσο, ένα πρόσφατο, επαναστατικό πείραμα στην κβαντομηχανική έρχεται να ανατρέψει κάθε λογική γύρω από τη διάρκεια μιας διαδρομής. Ερευνητές κατάφεραν να μετρήσουν φωτόνια που πέρασαν… αρνητικό χρόνο μέσα σε ένα νέφος ατόμων, ανοίγοντας ένα νέο κεφάλαιο στην κατανόηση του σύμπαντος.
Φωτόνια που ταξιδεύουν μέσα από ένα νέφος ατόμων μπορούν να εξέλθουν τόσο νωρίς, που φαίνεται να έχουν περάσει ένα αρνητικό χρονικό διάστημα μέσα σε αυτό.
Οι ερευνητές εξέτασαν αν αυτό ήταν απλώς ένα παραπλανητικό χαρακτηριστικό του φωτός, πραγματοποιώντας εξαιρετικά ασθενείς μετρήσεις στα άτομα.
Παραδόξως, τα άτομα επιβεβαίωσαν τον ίδιο αρνητικό χρόνο παραμονής.
Το εύρημα αυτό δεν καταρρίπτει την κλασική φυσική, αλλά αποκαλύπτει ότι ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα της κβαντομηχανικής είναι φυσικά μετρήσιμο.
Όπως μας διηγείται ο Όμηρος, ο Οδυσσέας πραγματοποίησε ένα επικό ταξίδι, ενάντια σε όλες τις πιθανότητες, από την Τροία προς την πατρίδα του την Ιθάκη. Επισκέφθηκε πολλούς τόπους, αλλά τον περισσότερο χρόνο παρέμεινε με τη νύμφη Καλυψώ στο νησί της.
Μπορούμε να φανταστούμε ότι η σύζυγός του, η Πηνελόπη, θα τον είχε ρωτήσει για εκείνη τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο.
Ο Οδυσσέας ίσως να απαντούσε:
«Δεν ήταν τίποτα. Για την ακρίβεια, ήταν λιγότερο από το τίποτα. Αρνητικά πέντε χρόνια έμεινα με την Καλυψώ. Πώς αλλιώς θα μπορούσα να είχα φτάσει στο σπίτι μετά από μόνο δέκα χρόνια; Αν δεν με πιστεύεις, ρώτα την».
Τα κβαντικά σωματίδια, όπως αποδεικνύεται, είναι εξίσου πανούργα με τον Οδυσσέα, όπως φάνηκε σε ένα πείραμα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.
Όχι μόνο ο χρόνος άφιξής τους μπορεί να υποδηλώνει ότι παρέμειναν μαζί με άλλα σωματίδια για ένα αρνητικό χρονικό διάστημα, αλλά αν ρωτήσει κανείς αυτά τα άλλα σωματίδια, θα επιβεβαιώσουν την ιστορία.
Η παράδοξη «συγκατοίκηση» φωτονίων και ατόμων
Το πείραμα χρησιμοποίησε φωτόνια –κβαντικά σωματίδια φωτός– και το γεμάτο αντιξοότητες ταξίδι που πρέπει να πραγματοποιήσουν για να περάσουν κατευθείαν μέσα από ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου.
Τα άτομα αυτά παρουσιάζουν έναν «συντονισμό» με τα φωτόνια, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτονίου μπορεί να μεταφερθεί προσωρινά στα άτομα ως ατομική διέγερση.
Αυτό επιτρέπει στο φωτόνιο να «παραμείνει» μέσα στο ατομικό νέφος για κάποιο χρονικό διάστημα προτού απελευθερωθεί.
Για να είναι αποτελεσματικός αυτός ο συντονισμός, το φωτόνιο πρέπει να έχει μια καλά καθορισμένη ενέργεια, η οποία να αντιστοιχεί στην ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να μεταβεί ένα άτομο ρουβιδίου σε διεγερμένη κατάσταση.
Ωστόσο, σύμφωνα με μια μορφή της διάσημης αρχής της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, εάν η ενέργεια του φωτονίου είναι καλά καθορισμένη, τότε ο χρόνος του πρέπει να είναι αβέβαιος:
Ο παλμός φωτός που καταλαμβάνει το φωτόνιο πρέπει να έχει μεγάλη διάρκεια. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ακριβώς πότε το φωτόνιο εισέρχεται στο νέφος, αλλά μπορούμε να γνωρίζουμε κατά μέσο όρο πότε εισέρχεται.
Εάν ένα τέτοιο φωτόνιο εκτοξευθεί μέσα στο νέφος, το πιο πιθανό αποτέλεσμα είναι ότι η ενέργειά του θα μεταφερθεί στα άτομα και στη συνέχεια θα επανεκπεμφθεί ως ένα φωτόνιο που ταξιδεύει προς μια τυχαία κατεύθυνση.
Σε τέτοιες περιπτώσεις, το φωτόνιο σκεδάζεται και αποτυγχάνει να φτάσει στη δική του Ιθάκη.
Το μυστήριο της χρονικής στιγμής της άφιξης
Αλλά αν το φωτόνιο καταφέρει τελικά να περάσει κατευθείαν μέσα από το νέφος, συμβαίνει κάτι παράξενο.
Με βάση τον μέσο χρόνο εισόδου του φωτονίου στο νέφος, μπορεί κανείς να υπολογίσει τον αναμενόμενο μέσο χρόνο άφιξής του στην απέναντι πλευρά, υποθέτοντας ότι ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός (όπως κάνουν συνήθως τα φωτόνια).
Αυτό που ανακαλύπτει κανείς είναι ότι το φωτόνιο φτάνει στην πραγματικότητα πολύ νωρίτερα από αυτό.
Για την ακρίβεια, φτάνει τόσο νωρίς που φαίνεται να έχει περάσει ένα αρνητικό χρονικό διάστημα μέσα στο νέφος – να έχει εξέλθει, κατά μέσο όρο, προτού καν εισέλθει.
Το φαινόμενο αυτό, είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες και παρατηρήθηκε σε ένα πείραμα το 1993.
Ωστόσο, οι φυσικοί είχαν αποφασίσει, ως επί το πλείστον, να μην πάρουν στα σοβαρά αυτόν τον αρνητικό χρόνο.
Αυτό συμβαίνει επειδή μπορεί να εξηγηθεί λέγοντας ότι μόνο το αρχικό τμήμα του μακράς διάρκειας παλμού καταφέρνει να περάσει κατευθείαν μέσα από το ατομικό νέφος, ενώ το υπόλοιπο σκεδάζεται.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα επιτυχές (μη σκεδαζόμενο) φωτόνιο να φτάνει νωρίτερα από ό,τι θα αναμενόταν απλουστευμένα.
Η «ανάκριση» των ατόμων αποκαλύπτει την αλήθεια
Ωστόσο, ο Εφραίμ Στάινμπεργκ (Aephraim Steinberg), ένας από τους συγγραφείς εκείνης της επιστημονικής δημοσίευσης του 1993, δεν βιάστηκε να αποδεχτεί αυτή την απόρριψη του αρνητικού χρόνου ως ένα απλό τεχνούργημα.
Στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ήθελε να ανακαλύψει τι θα συνέβαινε αν κάποιος «ρωτούσε» τα άτομα ρουβιδίου στο νέφος για να μάθει πόσο χρόνο είχε περάσει το φωτόνιο παραμένοντας ανάμεσά τους ως διέγερση.
Μετά από ένα αρχικό πείραμα με ασαφή αποτελέσματα, ζήτησε τη βοήθειά μου, ως κβαντικού θεωρητικού, για να καταλάβει τι έπρεπε να περιμένουμε.
Όταν μιλάμε για «ερώτηση» προς τα άτομα, αυτό που σημαίνει στην πράξη είναι η συνεχής πραγματοποίηση μιας μέτρησης στα άτομα καθώς το φωτόνιο περνά μέσα από το νέφος, προκειμένου να διερευνηθεί εάν η ενέργεια του φωτονίου παραμένει εκεί εκείνη τη στιγμή. Εδώ όμως υπάρχει μια λεπτή απόχρωση:
Οι μετρήσεις στην κβαντική φυσική αναπόφευκτα διαταράσσουν το σύστημα που μετράται.
Αν κάναμε μια ακριβή μέτρηση για το αν το φωτόνιο παραμένει στα άτομα σε κάθε χρονική στιγμή, θα εμποδίζαμε τα άτομα να αλληλεπιδράσουν με το φωτόνιο.
Είναι σαν, και μόνο με το να παρακολουθούμε στενά την Καλυψώ, να την εμποδίζαμε να βάλει στο χέρι τον Οδυσσέα (ή το αντίστροφο). Αυτό είναι το πασίγνωστο κβαντικό φαινόμενο Ζήνωνα, το οποίο θα κατέστρεφε το ίδιο ακριβώς φαινόμενο που θέλουμε να μελετήσουμε.
Μέσα στο εργαστήριο του «αρνητικού χρόνου»
Η λύση είναι να πραγματοποιηθεί, αντίθετα, μια πολύ ανακριβής (αλλά παρ’ όλα αυτά πολύ επακριβώς βαθμονομημένη) μέτρηση.
Αυτό είναι το τίμημα που πρέπει να καταβληθεί ώστε η διαταραχή να παραμείνει αμελητέα.
«Συγκεκριμένα, εκτοξεύσαμε μια ασθενή ακτίνα λέιζερ –άσχετη με τον παλμό του μεμονωμένου φωτονίου– μέσα από το νέφος των ατόμων και μετρήσαμε μικρές αλλαγές στη φάση του φωτός της ακτίνας για να διερευνήσουμε εάν τα άτομα είχαν διεγερθεί.
Οποιαδήποτε μεμονωμένη εκτέλεση του πειράματος δίνει μόνο μια πολύ πρόχειρη ένδειξη για το αν το φωτόνιο παρέμεινε στα άτομα, αλλά ο μέσος όρος εκατομμυρίων εκτελέσεων αποδίδει έναν ακριβή χρόνο παραμονής.
Παραδόξως, το αποτέλεσμα αυτής της ασθενούς μέτρησης του χρόνου παραμονής, όταν το φωτόνιο περνά κατευθείαν μέσα από το νέφος, ισούται ακριβώς με τον αρνητικό χρόνο που υποδηλώνει ο μέσος χρόνος άφιξης των φωτονίων.
Πριν από τη δική μας εργασία, κανείς δεν υποψιαζόταν ότι αυτοί οι δύο χρόνοι, μετρημένοι με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, θα ήταν ίσοι».
Το πιο σημαντικό είναι ότι η αρνητική τιμή του ασθενώς μετρημένου χρόνου παραμονής δεν μπορεί να εξηγηθεί με την υπόθεση ότι μόνο το αρχικό τμήμα του παλμού του φωτονίου καταφέρνει να περάσει – σε αντίθεση με ό,τι ίσχυε για τον χρόνο που προέκυπτε από τη στιγμή της άφιξης.
Τι σημαίνουν, λοιπόν, όλα αυτά; Είναι μήπως μια μηχανή του χρόνου προ των πυλών;
Δυστυχώς, όχι. Το πείραμα εξηγείται απόλυτα από την κλασική φυσική.
Δείχνει όμως ότι ο αρνητικός χρόνος παραμονής δεν είναι μια ψευδαίσθηση των μετρήσεων.
Όσο παράδοξο κι αν φαίνεται, έχει ένα άμεσα μετρήσιμο αποτέλεσμα πάνω στο ατομικό νέφος που διασχίζει το φωτόνιο.
Και μας υπενθυμίζει ότι υπάρχουν ακόμα πολλοί τόποι προς ανακάλυψη στην οδύσσεια που ονομάζεται κβαντική έρευνα.
The Conversation
