Ένα νέο πείραμα επιβεβαιώνει ότι τα φωτόνια που διέρχονται μέσα από ένα νέφος ατόμων μπορούν να περάσουν εκεί ένα «αρνητικό» χρονικό διάστημα — και τα ίδια τα άτομα είναι αυτά που το μαρτυρούν.
Όταν μια δέσμη φωτός περνά μέσα από ένα σύννεφο ατόμων, τα φωτόνια (σωματίδια του φωτός) μερικές φορές φαίνεται να περνούν εκεί ένα αρνητικό χρονικό διάστημα, με το φως να μοιάζει να βγαίνει από το σύννεφο προτού καν εισέλθει σε αυτό. Τώρα, οι φυσικοί επιβεβαίωσαν αυτό το κβαντικό παράδοξο ρωτώντας τα ίδια τα άτομα.
Κβαντική παραξενιά
«Αυτό δεν σημαίνει ότι βρισκόμαστε στα πρόθυρα της κατασκευής μιας μηχανής του χρόνου ή κάτι τέτοιο», δήλωσε στο Live Science ο συν-συγγραφέας της μελέτης Howard Wiseman, θεωρητικός κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Griffith της Αυστραλίας. «Όλα αυτά μπορούν να γίνουν κατανοητά με την κλασική φυσική, αλλά πρόκειται για μία ακόμη παράξενη ιδιότητα της κβαντικής φυσικής που οι άνθρωποι δεν είχαν υποψιαστεί».
Τα φωτόνια που περνούν μέσα από ένα ατομικό σύννεφο μπορούν να απορροφηθούν προσωρινά. Εξαφανίζονται ως σωματίδια φωτός και επανεμφανίζονται ως ατομικές διεγέρσεις — ένα είδος αποθηκευμένης ενέργειας — προτού επανεκπεμφθούν.
Ορισμένα φωτόνια, που ονομάζονται μεταδιδόμενα φωτόνια, καταφέρνουν να περάσουν προς την ίδια περίπου κατεύθυνση από την οποία εισήλθαν. Άλλα διασκορπίζονται σε τυχαίες κατευθύνσεις.
Το μυστήριο των φωτονίων που φτάνουν… νωρίτερα
Πειράματα που χρονολογούνται από το 1993 είχαν ήδη αφήσει να εννοηθεί ότι τα μεταδιδόμενα φωτόνια τείνουν να φτάνουν σε έναν ανιχνευτή προτού το κέντρο του ίδιου τους του παλμού εισέλθει καν στο σύννεφο. Αυτό υποδηλώνει έναν αρνητικό χρόνο διέλευσης.
Ωστόσο, υπήρχε ένα πρόβλημα με αυτή τη διάταξη: Τα φωτόνια στο μπροστινό μέρος ενός παλμού μπορεί να είναι πιο πιθανό να περάσουν σε σχέση με τα φωτόνια στο πίσω μέρος. Αν κοιτάξει κανείς μόνο αυτά που μεταδίδονται, φυσικά, φαίνεται να φτάνουν νωρίτερα. Αυτό όμως άφηνε ανοιχτό το ενδεχόμενο για μια απλούστερη εξήγηση.
«Οι άνθρωποι έπειθαν τον εαυτό τους ότι αυτό δεν είναι τελικά τόσο τρελό όσο ακούγεται», δήλωσε ο Wiseman στο Live Science.
Επιβεβαιώνοντας το «τρελό»
Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, οι φυσικοί δοκίμασαν μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να παρακολουθούν πότε ένα φωτόνιο έφτανε σε έναν ανιχνευτή, κατέγραψαν αν τα άτομα βρίσκονταν σε διεγερμένη κατάσταση κατά τη διάρκεια της διέλευσης του φωτονίου.
Όταν ένα φωτόνιο απορροφάται από ένα άτομο, αποθηκεύεται ως ενέργεια, αναγκάζοντας το άτομο να εισέλθει σε αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν διεγερμένη κατάσταση. Το άτομο παραμένει σε αυτή τη διεγερμένη κατάσταση μέχρι να επανεκπέμψει το φωτόνιο.
Επομένως, η μέτρηση της διάρκειας της διεγερμένης κατάστασης του ατόμου αποκαλύπτει για πόσο χρόνο το φωτόνιο ήταν απορροφημένο από αυτό. Η ομάδα το μέτρησε αυτό χρησιμοποιώντας μια δεύτερη δέσμη φωτός, η οποία παρουσίαζε μια μικροσκοπική μετατόπιση φάσης ανάλογα με τα επίπεδα διέγερσης των ατόμων.
Αυτή η δέσμη φωτός λειτουργούσε ως ζωντανή ένδειξη του τι βίωναν τα άτομα από στιγμή σε στιγμή. Αυτή η ατομική ένδειξη επιβεβαίωσε την κβαντική «τρέλα» των προηγούμενων πειραμάτων.
«Παίρνεις την ίδια απάντηση αν ρωτήσεις τα άτομα: “Πόση ώρα έμεινε το φωτόνιο μαζί σας;”», δήλωσε ο Wiseman. «Θα σου δώσουν κι αυτά μια απάντηση, η οποία είναι ένας αρνητικός χρόνος».
Ορόσημο ενός εκατομμυρίου δοκιμών
Το να πάρουν αυτή την απάντηση δεν ήταν εύκολο, επειδή η μέτρηση των κβαντικών συστημάτων τα διαταράσσει. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ενδέχεται να εμποδίζει εντελώς την απορρόφηση του φωτονίου. Έτσι, η ομάδα χρησιμοποίησε «ασθενείς μετρήσεις», οι οποίες είναι ήπιες αλλά εξαιρετικά θορυβώδεις.
Κάθε μεμονωμένη εκτέλεση του πειράματος κατακλυζόταν από θόρυβο — τυχαίες διακυμάνσεις που καθιστούσαν αδύνατο τον διαχωρισμό του σήματος από τα παράσιτα σε οποιαδήποτε μεμονωμένη μέτρηση.
Μόνο μετά τον υπολογισμό του μέσου όρου περίπου 1 εκατομμυρίου εκτελέσεων εμφανίστηκε ένα καθαρό σήμα. Σε περίπου επτά σύνολα πειραματικών παραμέτρων, η συνολική συλλογή δεδομένων διήρκεσε περίπου 70 ώρες.
«Ακόμα και σε αυτό το πραγματικά απλό πράγμα —ένα φωτόνιο που αλληλεπιδρά με άτομα— οι άνθρωποι έκαναν ήδη υπολογισμούς πριν από σχεδόν 100 χρόνια», δήλωσε ο Wiseman. «Μόνο και μόνο το γεγονός ότι μπορεί ακόμα να κρύβει εκπλήξεις μετά από τόσο καιρό είναι ενδιαφέρον».
Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι τα φωτόνια που δεν καταφέρνουν να περάσουν μέσα από το σύννεφο. Η θεωρία προβλέπει ότι αυτά τα διασκορπισμένα φωτόνια φέρουν επιπλέον θετικό χρόνο διέγερσης.
Αυτό είναι αρκετό για να αντισταθμίσει τον αρνητικό χρόνο των μεταδιδόμενων φωτονίων, διατηρώντας τον συνολικό μέσο όρο για τη δέσμη φωτός στο μηδέν ή πάνω από αυτό. Αυτή η πρόβλεψη δεν έχει δοκιμαστεί ποτέ.
