Негативний час у квантовій фізиці: експеримент, що перевертає уявлення про світло

Квантова фізика завжди дивує: від двоїстої природи світла, яке може поводитися і як частинка, і як хвиля, до “моторошної дії на відстані” при квантовому переплутуванні. Проте нещодавні дослідження команди вчених під керівництвом Даніели Ангуло з Університету Торонто (University of Toronto) та Ефраїма Стейнберга (Aephraim Steinberg) показали ще більш несподіване явище: фотони можуть провести в середовищі “від’ємну кількість часу”, тобто ніби виходити з нього раніше, ніж увійшли. Цей результат був викладений на сервері препринтів arXiv.org 5 вересня 2023 року й наразі очікує рецензування.

Негативний час: парадокс чи реальність?

Коли йдеться про негативний час, на перший погляд здається, що це суперечить елементарній логіці: “Як щось може відбуватися раніше, ніж початися?” Однак квантова механіка багато разів доводила, що наша інтуїція, вихована на класичній фізиці, може бути надто простою для опису мікросвіту.

Історичний екскурс: Іще на початку ХХ століття Макс Планк (1858–1947) та Альберт Айнштайн (1879–1955) заклали основи квантової фізики, розкривши квантову природу світла та енергії. Пізніше Вернер Гайзенберг (1901–1976) сформулював принцип невизначеності, який ще більше підкреслив парадоксальність квантових процесів. Зрештою, розробка теорії квантових вимірювань, коли сам акт спостереження впливає на систему, стала додатковим поштовхом для відкриття явищ, на кшталт “негативного часу”.

Зліва-направо: Макс Планк (1858–1947), Альберт Айнштайн (1879–1955), Вернер Гайзенберг (1901–1976)

Експеримент з ультрахолодними атомами

У своїх дослідах команда з Університету Торонто використовувала ультрахолодні атоми рубідію. Вакуумна камера зі спеціальним лазерним охолодженням забезпечувала наднизькі температури, щоби атоми рубідію рухалися повільно й чітко реагували на фотони, які проходять крізь них.

1. Запуск фотонів

Дослідники “стріляли” пучками фотонів через хмару ультрахолодних атомів рубідію.

2. Вимірювання затримки

Вони вимірювали, скільки часу проходить від моменту, коли фотон потрапив у середовище, до моменту, коли він виходить із нього. У класичних уявленнях це завжди має бути позитивний час.

3. Неочікувані результати

– Іноді фотони долали середовище, не затримуючись, але атоми рубідію все одно переходили у збуджений стан.

– Ще дивніше: коли фотон таки поглинався, його реемісія виявлялася настільки швидкою, що в середньому фотон покидав атоми швидше, ніж ті фізично встигали повернутися в початковий (незбуджений) стан. Виміряна величина часом ставала від’ємною.

Що таке “групова затримка” і чому вона може бути від’ємною

У фізиці існує поняття групової затримки (group delay) — це ефективний час, за який хвильовий пакет (сукупність фотонів) проходить крізь середовище. Зазвичай цей час є додатним: середовище чи то поглинає, чи то розсіює світло, і фотони виходять із затримкою. Проте у квантовій оптиці та низці експериментів зі сповільненням світла вже багато років тому було помічено дивні ефекти, коли швидкість групи хвилі може перевищувати швидкість світла у вакуумі або, навпаки, ставати від’ємною. Такі ефекти не суперечать спеціальній теорії відносності, бо “надсвітлова швидкість” або “негативна затримка” в цих умовах не означає передачу інформації швидше за світло чи порушення причинно-наслідкових зв’язків.

Яскрава аналогія: Уявіть собі, що ви дивитеся на натовп людей, які рухаються в одну сторону. Якщо у них є певна хвиля руху (наприклад, усі одночасно на мить зупиняються й рушають далі), то точка максимуму цієї “хвилі” може просуватися зі швидкістю, більшою за швидкість кожної окремої людини, або навіть “ніби рухатися назад”.

Чому результат дослідження такий важливий

1. Переосмислення фундаментальних понять

Експеримент додає вагомих аргументів до дискусії про те, чи є групова затримка “реальним” фізичним часом перебування фотона у речовині, чи це лиш математичний артефакт. Виявляється, навіть коли атоми переходять у збуджений стан, вони можуть “втрачати” фотон фактично ще до повернення в основний рівень.

2. Застосування в оптоелектроніці та квантових технологіях

Розуміння поведінки світла в середовищах із негативною груповою затримкою потенційно важливе для високоточних вимірювань, квантових комунікацій та оптичних пристроїв нового покоління. У майбутньому це може стати частиною практичних розробок у галузі квантових комп’ютерів.

3. Простір для теоретиків

Результати експерименту спонукають до глибших досліджень природи часу й простору у квантовому масштабі. Адже, попри те що цей “негативний час” не дозволяє порушити причинно-наслідковий зв’язок, він демонструє, наскільки “інтуїтивно” недоступними можуть бути процеси у мікросвіті.

Висновки

Експеримент, проведений у стінах Університету Торонто, є ще одним підтвердженням того, що квантовий світ уміє нас вражати парадоксами, які важко узгодити з буденним баченням реальності. Фотони здатні виходити з середовища, перш ніж туди “офіційно” потрапити,— принаймні так виглядає з боку групової затримки, яку зафіксували дослідники. Хоча цей ефект не порушує закони фізики, його наслідки для розуміння часу, простору й причинності можуть виявитися дуже глибокими.

“Ми ще не до кінця розуміємо, як інтерпретувати подібні ‘негативні’ явища. Проте тепер у нас є важливий експериментальний факт — і це відкриває шлях до подальших досліджень,” — зазначають автори.

Джерела:

1. Angulo, D., Steinberg, A. та ін. (2023). Evidence of “Negative Time” Found in Quantum Physics Experiment [Preprint]. arXiv.org.

2. Bischoff, M., Bryner, J. (2023). Time Can Take On Negative Values in the Quantum Realm. Scientific American.

3. Планк, М. (1900). Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum. Annalen der Physik.

4. Einstein, A. (1905). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik.

5. Heisenberg, W. (1927). Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik. Zeitschrift für Physik.