Upptäckt av negativ tid

 

Bild pexels.com Big Ben London.

I experimentet som beskrivs i tidskriften The Conversation (av Lucía Caballero International Coordinator)  användes fotoner kvantpartiklar av ljus och den färd de måste göra mot alla odds för att passera rakt igenom ett moln av rubidiumatomer.

Dessa atomer har en "resonans" med fotonerna innebärande att fotonens energi kan överföras tillfälligt till atomerna som en atomär excitation (att en atom eller molekyl tillförs energi, vilket får en elektron att hoppa från ett lägre elektronskal till ett högre). Detta gör att fotonen kan "stanna" i atommolnet en tid innan den släpps ur.

För att denna resonans ska vara effektiv måste fotonen ha en väldefinierad energi som matchar den mängd energi som krävs för att sätta en rubidiumatom i exciterat tillstånd.  Men om fotonen likväl tar sig rakt igenom händer något märkligt. Baserat på den genomsnittliga tiden när fotonen går in i molnet kan man beräkna den förväntade genomsnittliga tiden den skulle anlända till molnets bortre sida förutsatt att den färdas med ljusets hastighet (som fotoner vanligtvis gör).

Det man finner är att fotonen faktiskt anländer mycket tidigare än så. Faktum är att den anländer så tidigt att det verkar ha tillbringat en negativ tid inne i molnet.

Denna effekt har varit känd i årtionden och observerades i ett experiment redan 1993. Men fysikerna hade mestadels bestämt sig för att inte ta denna negativa tid på allvar (utan som felmätning eller förståelse).

Det beror på att det kan förklaras med att endast den allra främre delen av den långvariga pulsen tar sig rakt igenom atommolnet, medan resten sprids. Detta leder till att en framgångsrik (icke-spridd) foton anländer tidigare än vad som naivt skulle förväntas.

Aephraim Steinberg, en av författarna till den artikeln från 1993, var dock inte lika snabb med att acceptera denna avfärdande av den negativa tiden som en artefakt (något som bara fanns och togs för givet). I sitt laboratorium vid University of Toronto ville han ta reda på vad som hände om man undersökte rubidiumatomerna i molnet för att ta reda på hur länge fotonen hade tillbringat sig bland dem som en excitation. 

När vi talar om att undersöka atomerna innebär detta i praktiken att kontinuerligt göra en mätning på atomerna medan fotonen passerar genom molnet, för att undersöka om fotonens energi för närvarande befinner sig där. Men det finns en subtilitet här: mätningar inom kvantfysik stör oundvikligen det system som mäts.

Om vi skulle göra en exakt mätning av om fotonen befinner sig i atomerna vid varje ögonblick, skulle vi förhindra att atomerna interagerar med fotonen. Det är som om vi, bara genom att titta noga på Calypso, skulle hindra henne från att få tag på Odysseus (eller tvärtom). Detta är den välkända kvantmekaniska Zeno-effekten (ett kvantfysiskt fenomen där frekventa mätningar eller observationer av ett instabilt kvantsystem "fryser" dess tillstånd och förhindrar det från att förändras eller sönderfalla. Genom tät observation stannar systemet kvar i sitt ursprungliga tillstånd, vilket saktar ner dess tidsutveckling), som skulle förstöra just det fenomen vi vill studera.

Lösningen är istället att göra en mycket oprecis (men ändå mycket exakt kalibrerad) mätning. Det är priset som betalas för att hålla störningen försumbar. Specifikt sköts  en svag laserstråle orelaterad till den enskilda fotonpulsen  genom atommolnet och mätte små förändringar i strålens ljusfas för att undersöka om atomerna var exciterade.

Varje enskild körning av experimentet gav bara en mycket grov indikation på om fotonen bodde i atomerna, men ett genomsnitt av miljontals körningar ger en korrekt uppehållstid.

Otroligt nog är resultatet av denna svaga mätning av uppehållstid, när fotonen går rakt genom molnet, exakt lika med den negativa tid som antyds av fotonernas genomsnittliga ankomsttid. Innan arbetet misstänkte ingen att dessa två tider, mätta på helt olika sätt, skulle vara lika.

Avgörande är att det negativa värdet av den svagt uppmätta uppehållstiden inte kan förklaras genom att föreställa sig att endast fronten av fotonens puls går igenom, till skillnad från den tid som härleds från ankomsttiden.

Men det visar att negativ uppehållstid inte är en artefakt. Hur paradoxalt det än kan verka, har det en direkt mätbar effekt på det atommoln som fotonen färdas igenom. Och det påminner oss om att det fortfarande finns länder att upptäcka på den odyssé som är kvantforskning.

Experimentets resultat vid university of Toronto  är  publicerat i Physical Review Letters av Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon,  Andy Jiao, Howard,  M. Wiseman och Aephraim  M. Steinberg.