Одиссея квантового света: фотон провел отрицательное время в облаке атомов
Путешествие, которого не было.
Группа физиков под руководством Эфраима Штейнберга из Университета Торонто обнаружила экспериментальное доказательство того, что фотоны могут проводить отрицательное количество времени внутри облака атомов рубидия. Это открытие было опубликовано в авторитетном научном журнале Physical Review Letters.
Исследователи провели эксперимент, в котором фотоны — кванты света, пропускались через облако атомов рубидия, находящихся в состоянии резонанса. Резонанс означает, что энергия фотона может временно передаваться атомам, переводя их в возбужденное состояние, прежде чем фотон будет переизлучен.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, если энергия фотона четко определена, то время его появления становится неопределенным, а световой импульс приобретает большую длительность. Хотя наиболее вероятным исходом является рассеивание фотона в случайном направлении, в тех случаях, когда фотон все же проходит насквозь, ученые зафиксировали парадоксальный эффект: фотон прибывает на детектор не позже, а значительно раньше ожидаемого времени. Он прибывает настолько рано, что складывается впечатление, будто он провел внутри облака отрицательное количество времени, выйдя из него до того, как вошел.
Это явление было известно несколько десятилетий и наблюдалось еще в эксперименте 1993 года, однако тогда физики склонны были считать отрицательное время артефактом, объясняя его тем, что через облако проходит только передняя часть импульса. Эфраим Штейнберг, соавтор той самой статьи 1993 года, решил не отвергать эту аномалию.
В своем новом исследовании он использовал метод точно откалиброванных измерений, чтобы опросить атомы рубидия и узнать, сколько времени фотон фактически провел среди них в возбужденном состоянии. Проблема заключалась в том, что точное измерение в квантовой физике разрушает систему.
Как говорят ученые, это все равно что «просто внимательно наблюдая за Калипсо, мы помешали бы ей заполучить Одиссея», что отсылает к квантовому эффекту Зенона. Поэтому исследователи направили через облако слабый лазерный луч, не связанный с основным фотоном, и измеряли минимальные изменения его фазы. Отдельное измерение давало лишь очень грубую оценку, но усреднение по миллионам экспериментов позволило получить точное время пребывания фотона в атомах.
Конечный результат оказался удивительным: измеренное время пребывания фотона в облаке в точности совпало с отрицательным временем, которое следовало из анализа времени прибытия фотонов. Это означало, что отрицательное время пребывания не является математическим артефактом или статистической погрешностью.
В квантовой физике у частицы нет единственной траектории или единственной «биографии». Когда мы говорим «фотон провел отрицательное время в облаке», мы на самом деле описываем результат усреднения миллионов экспериментов с использованием техники слабых измерений.
В одном конкретном эксперименте фотон либо рассеивается (проводя положительное время в атомах), либо проходит насквозь. В первом случае он сильно задерживается. Во втором случае — проходит практически без задержки, а иногда и с «отрицательной задержкой». Если посчитать среднее арифметическое по всем удачным исходам, получится отрицательное число. Но сам по себе каждый успешный фотон не «путешествовал во времени». Его раннее прибытие — это квантово-волновой эффект, похожий на то, как передняя часть волны может обгонять волну.
Авторы работы образно сравнивают ситуацию с хитростью Одиссея, который мог бы утверждать, что прожил у нимфы Калипсо «минус пять лет», чтобы объяснить общую длительность своего десятилетнего возвращения на Итаку. Подобно этому, квантовые частицы «хитры» и их время прибытия указывает на то, что они находились вместе с другими частицами отрицательное количество времени.
Почему «минус пять лет»? (объяснение метафоры)
С точки зрения Пенелопы (жены Одиссея, ожидавшей его дома), вся Троянская война и последующее возвращение длились двадцать лет: десять лет войны и десять лет скитаний. Однако большую часть этих десяти лет скитаний (по разным версиям мифа от одного до восьми лет) Одиссей провел взаперти у Калипсо. Если бы Пенелопа спросила мужа: «Как получилось, что тебя не было всего десять лет? Война шла десять лет! Значит, на само путешествие у тебя не оставалось времени?» — Одиссей мог бы ответить примерно так:
«А я прожил у Калипсо минус пять лет. Если вычесть это из общего времени, все сходится».
Разумеется, это шутка. Одиссей не мог реально прожить «отрицательное время» на острове. Метафора «минус пять лет» означает, что он как бы «компенсирует» время, потраченное на другие приключения, делая свое отсутствие логически непротиворечивым. Точно так же и квантовые фотоны не путешествуют в прошлое: их «отрицательное время пребывания» — это статистический и волновой эффект, который выглядит так, будто они вышли из атомного облака до того, как вошли в него.
Таким образом, физики экспериментально подтвердили, что отрицательное время пребывания фотона в среде это реально существующий и измеримый эффект, полностью описываемый стандартными законами физики и при этом не имеющий отношения к машинам времени. Это открытие демонстрирует, что в «квантовой одиссее» остаются неизведанные территории, где время ведет себя парадоксальным, но математически строгим образом, оказывая прямое измеримое воздействие на атомную систему.
Научная публикация:
Daniela Angulo, Kyle Thompson et al, Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/gjfq-k9dv
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
