Negatív idő nyomára bukkantak a kvantumfizikusok

A negatív idő tényét egy új kvantumkísrlet tárta fel

Fotó: Pixabay

Kvantumfizikusok egy kísérletsorozatban azt találták, hogy a fotonok még azt megelőzően kilépnek az anyagból, mielőtt még belépnének abba a térbe, amelyben a megfigyelések negatív időre vonatkozó bizonyítékokat találtak. A negatív idő, vagyis amikor bizonyos jelenségek közben az óramutató nem előre, hanem visszafelé halad, a részecskék birodalmának, a kvantumfizikának az egyik újabb meghökkentő jelensége.

A kvantumfizikusok körében jól ismertek a furcsa, és hétköznapi fogalmakkal szinte értelmezhetetlen jelenségek, így például a hol részecskeként, hol hullámként viselkedő, illetve az egymással összekapcsolódó és az úgynevezett „kísérteties távolhatást” produkáló elemi részecskék világa.

A  fantasztikusan hangzó negatív idő a kvantumfizika egyik új realitása
Fotó: SEAN GLADWELL/Live Science

A Torontói Egyetem munkatársa, Daniela Angulo és kutatótársi most egy másik furcsa kvantumeredményt tártak fel: a fotonok, a fényhullám-részecskék úgy tűnik, hogy amikor kilépnek az anyagból és belépnek egy másik térbe, a negatív idő állapotába kerülnek.

Mi a foton?

A foton az elektromágneses sugárzások, így a fény elemi részecskéje, legkisebb egysége, vagyis kvantuma. A kvantumfizikában a foton az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője, illetve a fény és az összes többi elektromágneses jelenségért felelős részecske.

„Sok időt vett igénybe a kísérletünk, amiben azt észleltük, hogy a fotonok hatására az atomok negatív időbe kerültek gerjesztett állapotban" – írta Aephraim Steinberg, a Torontói Egyetem fizikusa az X-en (korábban Twitteren) közzétett bejegyzésében az új tanulmányról, amelyet szeptember 5-én töltöttek fel az arXiv preprint szerverre, és még nem bíráltak el. Ennek a munkának az ötlete még 2017-ben merült fel. Akkoriban Steinberg és az egyik laboratóriumi munkatársa, a doktorandusz Josiah Sinclair a fény és az anyag kölcsönhatását tanulmányozta, konkrétan az atomi gerjesztésnek nevezett jelenséget, amikor a fotonok áthaladnak egy közegen, és az atomok körül örvénylő elektronok ebben a közegben magasabb energiaszintekre ugranak át. 

Az atomfelhő, pontosabban az atommag körüli elektronfelhő ábrája. Az új kvantumkísérlet szerint egyes esetekben a foton még az megelőzően hagyja el az atomfelhőt, hogy belépett volna oda
Fotó: Wikimedia Commons

Amikor ezek a gerjesztett elektronok visszalépnek az eredeti állapotukba, az elnyelt energiát újra kibocsátott fotonok formájában szabadítják fel, ami viszont késlelteti a fény megfigyelt áthaladási idejét a közegen keresztül.

Negatív idő jött ki a kvantumkísérletből

Sinclair és kutatócsoportja meg akarta mérni ezt az általuk megfigyelt időkésleltetést (amit technikailag "csoportkésleltetésnek" neveznek), és azt szerette volna megtudni, hogy ez vajon mennyiben függ az adott foton sorsától. A megválaszolandó kérdés az volt, hogy az atomot övező elektronfelhőbe behatoló foton vajon mindenféle kölcsönhatás nélkül lép-e ki ebből ? "Akkor nem voltunk biztosak benne mi a válasz, de úgy éreztük, hogy egy ilyen alapvető kérdésre könnyű választ találni" - nyilatkozta Sinclair, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. "De minél több tudóstársunkkal beszélgettünk, annál inkább rájöttünk, hogy bár mindenkinek megvan a sajt megérzése vagy sejtése, ám még sincs szakértői konszenzus a helyes válaszról." 

Egy különálló atomot lézerfénnyel gerjesztenek láthatóvá téve a fotonok áramlását
Fotó: Phys.org

Ezeknek a késleltetéseknek a természete olyan furcsának és ellentmondásosnak tűnik, ami egyes kutatókat arra indított, hogy gyakorlatilag értelmetlennek minősítsék ezt a jelenséget a fénnyel kapcsolatos fizikai tulajdonságok leírására. Három év tervezés után Sinclair csapata kifejlesztett egy készüléket ennek az izgalmas problémának a laboratóriumi tesztelésére. Kísérleteik során fotonokat lőttek át ultrahideg rubídium atomok felhőjén, és megmérték az ebből eredő atomi gerjesztés mértékét. 

A kísérlet során két nagy meglepetés is érte a kutatókat: 

egyrészt kiderült, hogy a fotonok időnként háborítatlanul, kölcsönhatásra utaló jelek nélkül haladtak át az atomok elektronfelhőjén, ám ennek ellenére a rubídium atomok mégis „izgatottak lettek” méghozzá éppen annyi ideig, mintha elnyelték volna ezeket a fotonokat. Még ennél is furcsább volt, hogy amikor a fotonok abszorbeálódnak (elnyelődnek), úgy tűnt, hogy szinte azonnal újra kisugároztak méghozzá jóval azelőtt, hogy a rubídium atomok visszatértek volna az alapállapotukba –, vagyis mintha a fotonok a vártnál, illetve a számítottnál gyorsabban hagynák el az atomokat.

 

Hogyan mutatja meg a negatív idő létezését a kvantumkísérlet?

 

A kutatócsoport a tudományos magyarázat kidolgozásába az ausztrál Griffith Egyetem elméleti és kvantumfizikusát, Howard Wisemann -t is bevonta. A kísérleti eredmények alapján felállított elméleti keret azt mutatta, hogy az az idő, amelyet a fotonok az atomi gerjesztés állapotában töltöttek, tökéletesen megfelelt a fény által elért és várható csoportkésleltetésnek azokban az esetekben is, amikor úgy tűnt, hogy a fotonok még azt megelőzően újra kisugároznak, mielőtt az atomi gerjesztés lecsengett volna. Az első látásra értelmetlennek tűnő jelenség megértéséhez a fotonokra mint olyan bizonytalan kvantumobjektumokra kell tekintenünk, amelyeknél az atomi gerjesztés révén nem garantált, hogy az adott foton abszorpciója és újra emissziója egy bizonyos meghatározott (számított) időn belül megtörténik; hanem az időbeli értékek előre pontosan meg nem határozható, valószínűségi tartományán keresztül mennek csak végbe. Amint azt a csapat kísérletei kimutatták, ezek az értékek felölelhetik azokat az eseteket is, amikor egy egyedi foton áthaladási ideje pillanatnyi, vagy furcsa módon amikor ez még az atomi gerjesztés megszűnése előtt véget ér, ami pedig negatív idő értéket ad.

A negatív idő belefér a kvantumfizika számunkra szinte felfoghatatlan világába.  Így például a Cambridgei Egyetem fizikusai bebizonyították, hogy lehetséges a hipotetikus időutazás modelljeinek szimulálása ami megold olyan kísérleti problémákat, amiket lehetetlennek tűnik megoldani a standard fizikai modellel. A szimuláció a kvantumösszefonódáson alapszik
Fotó: www.cam.ac.uk

Kijelenthetem, hogy teljesen meglepett minket ez a jóslat" 

- mondja Sinclair, a csoportkésleltetés és az átvitt fotonok atomi gerjesztésként eltöltött ideje közötti egyezésre utalva. Amint az ellenőrző kísérletek révén megbizonyosodtak arról, hogy az eredmény nem mérési, illetve megfigyelési hiba, elkezdték megtervezni a következő lépést; egy olyan újabb kísérletet, ami további bizonyítékot szolgáltat az őrültségnek tűnő negatív idő realitására. Ez a Daniela Angulo által vezetett kísérlet - amelyről Steinberg az X-en írt-, könnyen megérthető, ha figyelembe vesszük a fotonok átvitelének két módját. Az egyikben a foton mindenféle mérhető kölcsönhatás nélkül halad át majd távozik az atom elektronfelhőjén. A másik esetben viszont kölcsönhatásba lép az atommal, magasabb energiaszintre emelve azt, mielőtt még újra kisugározna. Mivel a fotonok a kvantumbirodalom részecskéi, a két eredmény szuperpozícióban állhat, vagyis mindkét dolog megtörténhet egyszerre is.

 

Mi az a negatív idő?

 

Daniela Angulo és munkatársai kísérletének mérési eredményei arra utalnak, hogy a fotonok gyorsabban mozogtak a közegben, amikor gerjesztették az atomokat ahhoz képest, mint amikor az atomok az alapállapotukban maradtak. ( Az eredmény egyébként nem mond ellent Albert Einstein speciális relativitáselméletében lefektetett axiómánk, miszerint egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél.) „A negatív időkésleltetés noha paradoxnak tűnik, de praktikusan ez azt jelenti, hogy ha például építünk egy kvantumórát annak mérésére, hogy mennyi időt töltenek az atomok gerjesztett állapotban, akkor az óramutató bizonyos körülmények között inkább hátra, mint előre fog mozogni – szemlélteti kísérlet eredményét Josiah Sinclair. 

Albert Einstein és Nathn Rosen. Einstein általános reltivitáselmélete hipotetikusan megengedi az időutazást, azt, hogy visszafelé menjünk az időben, vagyis a negatív időt
Fotó: Wikimedia Commons/Pinceton University

Más szóval az az idő, amely alatt az atomok elnyelték a fotonokat, negatív. Bár maga a jelenség megdöbbentő, ám még sincs különösebb hatással az időről alkotott elképzelésünkre – de azt kiválóan szemlélteti, hogy a kvantumvilág még mennyi meglepetést tartogathat.

Az elvégzett kísérletek szerint

• a fotonok még azt megelőzően léptek ki egy atomfelhőből, hogy beléptek volna oda,
• egyes esetekben az atomfelhőn áthaladó fotonok nem léptek kölcsönhatásba az atomokkal,
• A negatív időkésleltetés ugyan paradoxonnk tűnik, de nem ellentétes a kvantumfizika törvényszerűségeivel,
• A fotonok bizonyos esetekben negatív időt töltöttek az anyagban, ezért tűnt úgy, hogy még azt megelőzően távoztak az atomfelhőből, hogy beléptek volna oda.

"Angulo és a csapat többi tagja valami igazán lenyűgözőt ért el, és gyönyörű mérési sorozatot produkált. Eredményeik érdekes kérdéseket vetnek fel az abszorpciós hordozón áthaladó fotonok történetével kapcsolatban, és felhívják a figyelmet a csoportkésés jelentésének új, elméleti fizikai átértelmezésének a szükségességére is” – értékeli a kvantumkísérlet, illetve a felfedezés jelentőségét Josiah Sinclair. A tanulmányt teljes terjedelemben a Scientific American publikálta.