Даже такие фундаментальные понятия, как течение времени, в квантовом масштабе ведут себя иначе.
Международная группа физиков зафиксировала явление, которое долго считалось невозможным: фотон может находиться в возбужденном состоянии атома в отрицательное время. Результаты, опубликованные в журнале APL Quantum, не дают возможности путешествовать во времени, но открывают новые перспективы для квантовых сенсоров и исследований взаимодействия света и материи
В основе эксперимента, проведенного под руководством Эфраима Штейнберга из Университета Торонто, лежит прохождение фотона через облако атомов. Обычно считается, что когда фотон возбуждает электрон, он теряет часть своей энергии и рассеивается. Но исследователи обнаружили, что усредненное время, проведенное фотоном в состоянии возбуждения атома, может оказаться отрицательным.
Другими словами, пик возбуждения, казалось бы, проявляется до того, как фотон вообще входит в облако — иллюзия, возникающая из-за того, что фронт импульса выходит раньше, а пик остается внутри, рассеиваясь.
Чтобы «поймать» этот странный феномен, использовали метод слабого зонда. Представьте себе невидимый щуп, который аккуратно измеряет, находится ли атом в возбужденном состоянии, не мешая процессу. Интегрируя данные по времени, ученые получили усредненное время пребывания фотона в возбужденном состоянии. Для узкополосного импульса оно составило (–0,82 ± 0,31) θ₀, а для широкополосного — (0,54 ± 0,28) θ₀, где θ₀ — среднее положительное время возбуждения. Эти числа показывают, что отрицательное время — не просто абстрактная математика, а физически измеримый эффект.
Чтобы проверить наблюдения, два встречных лазерных пучка направили в облако из охлажденных до 60–70 мкК атомов рубидия-85. Один пучок создавал возбуждение, другой фиксировал его через слабое измерение фазы. Результаты подтвердили предсказания: фотон мог оставаться в состоянии возбуждения «до того», как, казалось бы, должен был его достичь.
Теоретики из Массачусетского технологического института, Университета Гриффита и Индии поясняют, что отрицательное время здесь не означает обратного течения часов. Оно отражает контекстуальность — квантовое свойство, при котором результат измерения зависит от способа наблюдения.
«Представьте, что вы смотрите на сцену под разными углами: одно и то же действие может казаться преждевременным или запоздалым в зависимости от позиции», — объясняют авторы исследования
Говард Уайзман из Университета Гриффита объясняет, что отрицательное усредненное время возбуждения фотона связано с групповой задержкой: фронт импульса выходит раньше, а пик остается внутри облака.
«Это создает иллюзию, будто фотон покидает среду раньше, чем туда входит», — говорит он.
«Такое явление подчеркивает необычные квантовые эффекты и потенциальные преимущества в вычислениях и сенсорах, где классические методы бессильны», добавляет Джонте Ханс, соавтор исследования
Штейнберг отмечает, что ранее отрицательные значения просто игнорировались как чисто математические и невозможные в фиксации
«Теперь мы видим, что они имеют физический смысл, и хотим глубже понять, что такое „отрицательное время“. Аналогично, как если бы часы иногда шептали нам не о прошлом или будущем, а о скрытых процессах, происходящих прямо здесь и сейчас.», — признается он.
Таким образом, открытие не нарушает причинно-следственные связи, но ставит перед учеными новый вызов — понять, как квантовый мир обращается со временем и какие возможности это открывает для технологий. Исследование демонстрирует необычные аспекты взаимодействия света и материи и показывает, что даже такие, казалось бы, фундаментальные понятия, как течение времени, в квантовом масштабе ведут себя иначе.