Группа физиков опубликовала в журнале Physical Review Letters результаты эксперимента, в котором фотоны, проходя сквозь облако атомов рубидия, вели себя столь необычно, что время их взаимодействия с атомами оказалось отрицательным. Сами атомы, если их измерить, подтверждают эту аномалию. Чтобы объяснить этот феномен, исследователи прибегают к аналогии с гомеровским эпосом: Одиссей, вернувшись домой на Итаку, мог бы сказать Пенелопе, что прожил с Калипсо минус пять лет, и она бы поверила, спросив саму нимфу.
Фотоны, живущие с атомами
В ходе опыта использовались квантовые частицы света, которым, вопреки всем ожиданиям, предстояло пройти сквозь облако атомов рубидия. Эти атомы обладают резонансом с фотонами: энергия фотона может временно возбуждать атомы, позволяя частице света «оседать» внутри облака на некоторое время, прежде чем она будет выпущена наружу. Для эффективного резонанса фотон должен иметь строго определённую энергию, совпадающую с энергией, необходимой для перевода атома в возбуждённое состояние.
Однако, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, если энергия фотона известна точно, то его положение становится размытым: импульс света, в котором находится фотон, должен быть очень протяжённым. Это означает, что мы не можем знать точно, когда фотон оказался в облаке, но мы можем знать в среднем, когда это произошло.
Если такой фотон испущен в направлении облака, то наиболее вероятный сценарий — передача его энергии атомам с последующим переизлучением фотона в случайном направлении. В этом случае фотон рассеивается и не достигает детектора.
Время перемещения фотонов
Но если фотон всё же проходит сквозь облако, происходит нечто странное. Зная среднее время входа фотона в облако, можно вычислить ожидаемый момент его выхода, предполагая движение со скоростью света. Обнаружено, что фотон достигает дальней стороны облака гораздо раньше этого расчётного времени — настолько рано, что создаётся впечатление, будто он провёл в облаке отрицательное количество времени, выйдя в среднем до того, как вошёл.
Этот эффект был известен и ранее — подобное наблюдалось в эксперименте 1993 года. Однако большинство физиков не относились к негативному времени всерьёз, объясняя явление тем, что сквозь облако проходит лишь самый передний фронт импульса, а остальная часть рассеивается. В результате успешный фотон прибывает раньше, чем этого можно было бы ожидать.
Задаваемые вопросы атомам
Эфраим Штейнберг, один из авторов статьи 1993 года, не был склонен игнорировать этот эффект. В своей лаборатории в Университете Торонто он решил выяснить, что покажут атомы рубидия, если их «спросить», как долго фотон находился в состоянии возбуждения. После первого эксперимента, результаты которого оказались неубедительными, он обратился к специалисту по квантовой теории с вопросом, чего следует ожидать.
Под «опросом» атомов подразумевается непрерывное измерение их состояния во время прохождения фотона через облако. Однако в квантовой физике любое измерение неизбежно нарушает систему. Если бы мы могли точно фиксировать каждый момент нахождения фотона в атомах, мы бы предотвратили само взаимодействие. Подобно тому, как внимательное наблюдение за Калипсо не позволило бы ей удержать Одиссея, точное измерение разрушило бы изучаемое явление — это проявление известного квантового эффекта Зенона.
Наш эксперимент
Выходом стало проведение очень неточного, но при этом тщательно откалиброванного измерения.
о, чтобы возмущение было незначительным. В частности, мы излучали слабый лазерный луч – не связанный с однофотонным импульсом – сквозь тело атомов и измерил небольшие изменения фазы светового луча, чтобы проверить возбуждение ли атомов.
Любая отдельная серия эксперимента дает лишь очень приблизительное представление о том, что фотоны находятся в атомах, но усреднение миллионов серий дает точное время пребывания.
Удивительно, но результат этого слабого измерения времени пребывания, когда фотон проходит прямо через облако, в точности с отклонением по времени, предполагаемым фотонами’ среднее время поступления. До нашей работы никто не подозревал, что два этих времени, зависимые совершенно по-разному, окажутся требованиями.
Важное замечание, что отрицательное значение слабо связанного времени пребывания позволяет объяснить, перед включением, что проходит фронтальный импульс фотона, только в отличие от времени, выведенного из временного перемещения.
Так что же всё это значит? Машина времени не за горами?
К сожалению, нет. Наш эксперимент полностью соответствует физике.
Но это показывает, что отрицательное время задержки не является документом. Каким бы парадоксальным это ни казалось, оно оказывает непосредственно измеримое воздействие на атомное облако, через проходящие фотоны. И это напоминает нам, что в одиссее квантовых исследований еще есть что открыть. 0 !важно; максимальная высота: 1 пиксель !важно; максимальная ширина: 1 пиксель !важно; минимальная высота: 1 пиксель !important; непрозрачность: 0 !важно; />