Негативний час: експеримент підтвердив квантову аномалію з фотонами

Фізики з Університету Торонто експериментально довели, що так званий «негативний час» — це не математичний артефакт і не ілюзія, а реальний вимірюваний ефект квантової взаємодії світла з речовиною. Результати дослідження з'явилися у журналі Physical Review Letters.

У ході роботи вчені спрямовували фотони крізь охолоджену хмару атомів рубідію. Атоми перебували в резонансі зі світлом, тому енергія фотонів мала тимчасово передаватися атомам, збуджуючи їх. Згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, для фотона з точно визначеною енергією час його імпульсу залишається невизначеним, через що більшість частинок розсіюється у випадкових напрямках.

Однак для фотонів, які все ж проходили крізь хмару наскрізь, розрахунок часу виходу давав несподіваний результат: частинка залишала середовище раніше, ніж наставав умовний середній час її входу. Іншими словами, фотон ніби проводив усередині хмари від'ємний час.

Цей ефект відомий ще з 1993 року, але його тривалий час пояснювали простою похибкою вимірювань — мовляв, крізь хмару проходить лише передній край світлового імпульсу. Щоб перевірити це припущення, група під керівництвом Ефраїма Штейнберга застосувала метод слабкого вимірювання. Пряме спостереження зруйнувало б квантовий стан системи (ефект Зенона), тому дослідники використали додатковий слабкий лазерний промінь, який фіксував мінімальні фазові зсуви у збуджених атомах рубідію.

Після усереднення даних мільйонів повторів експерименту виявилося: реальний час перебування фотона всередині атомного середовища точно збігається з тим самим «негативним часом», який обчислювали за часом прибуття. Це спростовує версію про простий відбір переднього краю імпульсу та підтверджує: фотон справді створює вимірюваний від'ємний часовий вплив на атоми.

Автори наголошують: відкриття не означає, що можна створити машину часу, і воно повністю узгоджується з відомими законами квантової механіки. Проте воно демонструє, що квантові частинки здатні виявляти властивості, які змінюють уявлення про природу часу та взаємодію світла з речовиною.