Fotony potrafią podróżować w przeszłość. Nowe badania potwierdzają ujemny czas

Czy czas może płynąć wstecz? W świecie kwantów – tak. Fizycy z Griffith University i University of Toronto właśnie potwierdzili, że fotony przechodzące przez chmurę atomów potrafią opuścić ją, zanim do niej dotrą. To nie będzie działać w twojej kuchni, ale rzuca nowe światło na to, jak dziwna jest natura rzeczywistości.

Jak foton oszukuje zegar

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Kiedy wiązka światła trafia na chmurę schłodzonych atomów, część fotonów znika dosłownie – zostaje pochłonięta, a ich energia magazynuje się w atomie, który przechodzi w stan wzbudzony. Po chwili atom reemituje foton. Problem w tym, że już w 1993 roku eksperymenty sugerowały, że fotony, które przechodzą przez atomowy obłok bez rozproszenia, docierają do detektora wcześniej, niż wynikałoby to z fizyki klasycznej.

Dotąd naukowcy nie byli pewni, czy to prawdziwy efekt, czy tylko artefakt selekcji – bo przecież w detektorze lądują tylko te fotony, które przeżyły podróż, a te z przodu paczki mają statystycznie większe szanse. Jak wyjaśnia Howard Wiseman, teoretyczny fizyk kwantowy z Griffith University: „Ludzie przekonywali sami siebie, że to jednak nie jest aż tak szalone, jak brzmi”.

Atom jako świadek

→ Czytaj też: Światło zachowuje się jak kwantowy hamulec. Co to oznacza dla twojego komputera?

Zespół badawczy postanowił zapytać o czas trwania zjawiska bezpośrednio atomy. Gdy atom pochłonie foton, przez chwilę pozostaje w stanie wzbudzonym – to czas rezydualny, który można zmierzyć. Wykorzystano do tego drugą, słabszą wiązkę laserową, która szpiegowała atomy bez zakłócania głównego procesu – tzw. słaby pomiar kwantowy (weak measurement).

„Jeśli zapytasz atomy: jak długo foton u ciebie przebywał, one odpowiedzą tą samą wartością” – mówi Wiseman. I ta wartość jest ujemna. Oznacza to, że fotony opuszczały chmurę, zanim formalnie do niej weszły. Paradoks? Owszem, ale w pełni zgodny z równaniami mechaniki kwantowej.

Milion powtórzeń, by zobaczyć nic

Słabe pomiary są czułe, lecz głośne. W pojedynczym biegu eksperymentu szum całkowicie maskował sygnał. Dopiero uśrednienie około miliona powtórzeń – trwających łącznie około 70 godzin – pozwoliło na wyłonienie się wyraźnej wartości ujemnej. Badanie opublikowane w Physical Review Letters potwierdza, że czas rezydualny atomów w stanie wzbudzonym dla fotonów transmitowanych jest ujemny.

Jak zaznacza Wiseman: „To nie znaczy, że stoimy u progu budowy wehikułu czasu. To wszystko da się opisać standardową fizyką – to po prostu kolejna dziwna cecha kwantów, której wcześniej nie podejrzewaliśmy”.

Co dalej? Gdzie ucieka dodatni czas?

Naukowcy już planują kolejny krok – zbadanie fotonów rozproszonych, które nie przedostają się przez chmurę. Teoria przewiduje, że ich dodatni czas w stanie wzbudzenia kompensuje ujemny czas tych „szczęśliwych”, które dotarły wcześniej. W efekcie średnia dla całej wiązki pozostaje nieujemna. To przewidywanie nigdy nie zostało sprawdzone eksperymentalnie – i może przynieść kolejne niespodzianki.

Eksperyment z Australii i Kanady to doskonały dowód na to, że nawet po stu latach prac nad najprostszą interakcją – foton i atom – wciąż możemy być zaskakiwani. Mechanika kwantowa nie przestaje zadziwiać, a pytanie o naturę czasu pozostaje otwarte.