Αρνητικός Χρόνος: Βρέθηκε απόδειξη σε νέο πείραμα Κβαντικής Φυσικής!
Οι κβαντικοί φυσικοί είναι εξοικειωμένοι με περίεργα, φαινομενικά παράλογα φαινόμενα: τα άτομα και τα μόρια ενεργούν άλλοτε ως σωματίδια και άλλοτε ως κύματα. Τα σωματίδια μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με μια «τρομακτική δράση εξ αποστάσεως», ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις, και τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να αποσυνδεθούν από τις ιδιότητες τους. Τώρα, οι ερευνητές με επικεφαλής την Daniela Angulo του Πανεπιστημίου του Τορόντο αποκάλυψαν ένα άλλο παράξενο κβαντικό αποτέλεσμα: τα φωτόνια, τα κυματοσωματίδια του φωτός, μπορούν να περάσουν αρνητικό χρόνο όταν διέρχονται μέσα σε ένα σύννεφο ψυχρών ατόμων. Με άλλα λόγια, τα φωτόνια μπορεί να φαίνεται ότι εξέρχονται από ένα υλικό πριν εισέλθουν σε αυτό.
«Χρειάστηκε θετικό χρονικό διάστημα, αλλά το πείραμά μας που παρατηρεί ότι τα φωτόνια μπορούν να κάνουν τα άτομα να φαίνονται να περνούν «αρνητικό» χρονικό διάστημα στη διεγερμένη κατάσταση είναι γεγονός!» έγραψε ο Aephraim Steinberg, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο.
Η ιδέα για την εργασία αυτή προέκυψε το 2017. Εκείνη την εποχή, ο Steinberg και ένας συνάδελφος του στο εργαστήριο, ο τότε διδακτορικός φοιτητής Josiah Sinclair, ενδιαφέρονταν για την αλληλεπίδραση του φωτός και της ύλης, συγκεκριμένα για ένα φαινόμενο που ονομάζεται ατομική διέγερση: όταν τα φωτόνια περνούν μέσα από ένα μέσο και απορροφώνται, τα ηλεκτρόνια που στροβιλίζονται γύρω από τα άτομα του μέσου αυτού μεταπηδούν σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Όταν αυτά τα διεγερμένα ηλεκτρόνια επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, απελευθερώνουν την απορροφηθείσα ενέργεια ως επανεκπεμπόμενα φωτόνια, εισάγοντας μια χρονική καθυστέρηση στον παρατηρούμενο χρόνο διέλευσης του φωτός από το μέσο.
Η ομάδα του Sinclair θέλησε να μετρήσει αυτή τη χρονική καθυστέρηση (η οποία μερικές φορές ονομάζεται τεχνικά «καθυστέρηση ομάδας») και να μάθει αν εξαρτάται από την τύχη αυτού του φωτονίου: Διασκορπίστηκε και απορροφήθηκε μέσα στο ατομικό νέφος ή μεταδόθηκε χωρίς καμία απολύτως αλληλεπίδραση; «Εκείνη την εποχή, δεν ήμασταν σίγουροι για την απάντηση και νιώθαμε ότι ένα τόσο βασικό ερώτημα για κάτι τόσο θεμελιώδες θα έπρεπε να είναι εύκολο να απαντηθεί», αναφέρει ο Sinclair. «Όμως, όσο περισσότερους ανθρώπους ρωτούσαμε, τόσο περισσότερο συνειδητοποιούσαμε ότι ενώ ο καθένας είχε τη δική του διαίσθηση ή εικασία, δεν υπήρχε συναίνεση των ειδικών για το ποια θα ήταν η σωστή απάντηση». Επειδή η φύση αυτών των καθυστερήσεων μπορεί να είναι τόσο παράξενη και αντιφατική, ορισμένοι ερευνητές είχαν διαγράψει το φαινόμενο ως ουσιαστικά ανούσιο για την περιγραφή οποιασδήποτε φυσικής ιδιότητας που σχετίζεται με το φως.
Μετά από τρία χρόνια σχεδιασμού, η ομάδα του ανέπτυξε μια συσκευή για να εξετάσει αυτό το ερώτημα στο εργαστήριο. Τα πειράματα τους περιλάμβαναν τη ρίψη φωτονίων μέσα από ένα νέφος υπερψυχρών ατόμων ρουβιδίου και τη μέτρηση του προκύπτοντος βαθμού ατομικής διέγερσης. Από το πείραμα προέκυψαν δύο εκπλήξεις: Μερικές φορές τα φωτόνια περνούσαν αλώβητα, αλλά τα άτομα του ρουβιδίου εξακολουθούσαν να διεγείρονται – και μάλιστα για εξίσου μεγάλο χρονικό διάστημα, σαν να είχαν απορροφήσει αυτά τα φωτόνια. Ακόμα πιο παράξενο, όταν τα φωτόνια απορροφούνταν, φαινόταν να επανεκπέμπονται σχεδόν αμέσως, πολύ πριν τα άτομα ρουβιδίου επιστρέψουν στη βασική τους κατάσταση – σαν τα φωτόνια, κατά μέσο όρο, να έφευγαν από τα άτομα πιο γρήγορα από ό,τι αναμενόταν.
Στη συνέχεια, η ομάδα συνεργάστηκε με τον Howard Wiseman, θεωρητικό και κβαντικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο Griffith της Αυστραλίας, για να βρει μια εξήγηση. Το θεωρητικό πλαίσιο που προέκυψε έδειξε ότι ο χρόνος που αυτά τα μεταδιδόμενα φωτόνια περνούσαν ως ατομική διέγερση ταίριαζε απόλυτα με την αναμενόμενη καθυστέρηση ομάδας που αποκτούσε το φως – ακόμη και για τις περιπτώσεις όπου φαινόταν ότι τα φωτόνια επανεκπέμπονταν πριν από την υποχώρηση της ατομικής διέγερσης.
Για να κατανοήσετε το παράλογο εύρημα, μπορείτε να σκεφτείτε τα φωτόνια ως τα ασαφή κβαντικά αντικείμενα που είναι, στα οποία η απορρόφηση και η επανεκπομπή κάθε φωτονίου μέσω μιας ατομικής διέγερσης δεν είναι εγγυημένο ότι θα συμβεί σε ένα συγκεκριμένο σταθερό χρονικό διάστημα. Αντίθετα, λαμβάνει χώρα σε ένα συγκεχυμένο, πιθανολογικό εύρος χρονικών τιμών. Όπως έδειξαν τα πειράματα της ομάδας, οι τιμές αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν περιπτώσεις όπου ο χρόνος διέλευσης ενός μεμονωμένου φωτονίου είναι στιγμιαίος – ή, παραδόξως, όταν ολοκληρώνεται πριν σταματήσει η ατομική διέγερση, πράγμα που δίνει αρνητική τιμή.
«Μπορώ να σας υποσχεθώ ότι εκπλαγήκαμε εντελώς από αυτή την πρόβλεψη», λέει ο Sinclair, αναφερόμενος στην αντιστοιχία μεταξύ της καθυστέρησης της ομάδας και του χρόνου που τα διαδιδόμενα φωτόνια πέρασαν ως ατομικές διεγέρσεις. «Και μόλις βεβαιωθήκαμε ότι δεν είχαμε κάνει λάθος, ο Steinberg και η υπόλοιπη ομάδα -είχα μετακινηθεί για να κάνω ένα μεταδιδακτορικό στο MIT μέχρι τότε- άρχισαν να σχεδιάζουν να κάνουν ένα πείραμα παρακολούθησης για να ελέγξουν αυτή την τρελή πρόβλεψη του αρνητικού χρόνου παραμονής και να δουν αν η θεωρία θα άντεχε».
Αυτό το πείραμα παρακολούθησης, εκείνο με επικεφαλής την Angulo, μπορεί να γίνει κατανοητό αν αναλογιστεί κανείς τους δύο τρόπους με τους οποίους μπορεί να μεταδοθεί ένα φωτόνιο. Στον ένα, το φωτόνιο φοράει κάτι σαν παρωπίδες και αγνοεί εντελώς το άτομο, φεύγοντας χωρίς καμία αλληλεπίδραση. Στον άλλο, αλληλεπιδρά με το άτομο, ανεβάζοντάς το σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, πριν επανεκπεμφθεί.
«Όταν βλέπετε ένα μεταδιδόμενο φωτόνιο, δεν μπορείτε να ξέρετε ποιο από τα δύο συνέβη», λέει ο Steinberg, προσθέτοντας ότι επειδή τα φωτόνια είναι κβαντικά σωματίδια στο κβαντικό πεδίο, τα δύο αποτελέσματα μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση – και τα δύο πράγματα μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. «Η συσκευή μέτρησης καταλήγει σε μια υπέρθεση της μέτρησης του μηδενός και της μέτρησης κάποιας μικρής θετικής τιμής». Αλλά αντίστοιχα, σημειώνει ο Steinberg, αυτό σημαίνει επίσης ότι μερικές φορές «η συσκευή μέτρησης καταλήγει σε μια κατάσταση που δεν μοιάζει με “μηδέν” συν “κάτι θετικό” αλλά με “μηδέν” μείον “κάτι θετικό”, με αποτέλεσμα να προκύπτει κάτι που μοιάζει με λάθος πρόσημο, μια αρνητική τιμή, για αυτόν τον χρόνο διέγερσης».
Τα αποτελέσματα των μετρήσεων στο πείραμα της Angulo και των συνεργατών της υποδηλώνουν ότι τα φωτόνια κινούνταν μέσα στο μέσο ταχύτερα όταν διεγείρουν τα άτομα από ό,τι όταν τα άτομα παρέμεναν στη βασική τους κατάσταση. Να σημειωθεί ότι τα φωτόνια δεν μεταδίδουν καμία πληροφορία, οπότε το αποτέλεσμα δεν έρχεται σε αντίθεση με το όριο ταχύτητας ότι «τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως» που θέτει η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Einstein.
«Μια αρνητική χρονική καθυστέρηση μπορεί να φαίνεται παράδοξη, αλλά αυτό που σημαίνει είναι ότι αν κατασκευάσετε ένα «κβαντικό» ρολόι για να μετρήσετε πόσο χρόνο περνούν τα άτομα στη διεγερμένη κατάσταση, ο δείκτης του ρολογιού θα κινείται, υπό ορισμένες συνθήκες, προς τα πίσω αντί προς τα εμπρός», λέει ο Sinclair. Με άλλα λόγια, ο χρόνος κατά τον οποίο τα φωτόνια απορροφήθηκαν από τα άτομα είναι αρνητικός.
Αν και το φαινόμενο είναι εκπληκτικό, δεν έχει καμία επίπτωση στην κατανόηση του ίδιου του χρόνου, αλλά δείχνει για άλλη μια φορά ότι ο κβαντικός κόσμος επιφυλάσσει ακόμη εκπλήξεις.
«Η Angulo και η υπόλοιπη ομάδα κατάφεραν κάτι πραγματικά εντυπωσιακό και παρήγαγαν ένα όμορφο σύνολο μετρήσεων. Τα αποτελέσματά τους εγείρουν ενδιαφέροντα ερωτήματα σχετικά με την ιστορία των φωτονίων που ταξιδεύουν μέσα από απορροφητικά μέσα και καθιστούν αναγκαία μια επανερμηνεία της φυσικής σημασίας της καθυστέρησης ομάδας στην οπτική», λέει ο Sinclair.
