В света на квантовата физика, където правилата на ежедневната реалност, изглежда, се огъват и изкривяват, изследователите са направили толкова озадачаващо откритие, че, изглежда, изкривява самото време. Фотоните, тези фундаментални частици светлина, напускат материалите, преди дори да са влезли в тях – поне според новите експерименти на екип от квантови физици в Университета на Торонто.
Умопомрачително наблюдение
„Звучи налудничаво, знам“, призна Ефраим Щайнберг, един от водещите изследователи по проекта, в публикация в социалната мрежа „X“. И все пак данните на екипа разкриват нещо много странно: при правилните условия фотоните, изглежда, изразходват отрицателно време за взаимодействие с атомите. Сякаш полето не е достатъчно объркващо, техните открития добавят още един слой мистерия към вече зашеметяващия свят на квантовата механика.
Светлината, както я познаваме, обикновено не се държи по този начин. Когато фотоните навлизат в материал, те обикновено взаимодействат с атомите вътре. Атомите, от своя страна, абсорбират енергията от фотоните, карайки техните електрони да скачат на по-високи енергийни нива – процес, наречен атомно възбуждане. След забавяне фотоните се излъчват отново и атомите на материала се връщат в нормалното си състояние. Това е процес, познат на физиците: светлината влиза, атомите поглъщат, светлината излиза.
Съзнанието идва от невидими измерения отвъд нашата реалност
Но в света на много малките обикновените правила често рухват. Стайнбърг и неговият екип стреляли с фотони през облак от ултрастудени рубидиеви атоми, когато забелязали нещо странно. Фотоните не просто преминали – те сякаш излезли от облака от атоми, преди да е трябвало. Всъщност изглеждало, че атомите са били развълнувани още преди фотоните да са пристигнали.
„Бяхме напълно изненадани“, казва Йосия Синклер, квантов физик, помогнал за проектирането на експериментите, пред германското научнопопулярно списание Spektrum der Wissenschaft. „Отрицателното времезакъснение може да изглежда парадоксално, но това означава, че ако сте построили „квантов часовник“, за да измервате колко време прекарва един атом във възбудено състояние, стрелката на часовника ще се движи назад, а не напред.“
Пъзелът на отрицателното време
За да бъде ясно, това не е вид пътуване във времето, което би ни позволило да променим миналото или да надникнем в бъдещето. Вместо това, това е феномен, който възниква от странния начин, по който квантовите частици се държат, когато взаимодействат с материята. В този случай изглежда, че фотоните напускат атомния облак, преди атомите дори да са ги абсорбирали напълно. Сякаш изкривявали времето точно толкова, колкото да се противопоставят на нормалните очаквания.
В тема в „X“, която има за цел да изясни някои недоразумения, Синклер използва ярка аналогия: шахматен часовник. Представете си шахматен мач, предлага той. В края на играта можете да разберете колко време всеки играч е прекарал в своите ходове, като погледнете часовниците си. Сега си представете, продължава той, че часовникът на единия играч показва не просто нула, а отрицателна стойност – което показва, че някак си им е отнело по-малко от нула време, за да направят своите ходове. По същество това е, което екипът видял с неговите фотони.
В темата си Синклер изяснява, че това „отрицателно време“ не означава обръщане на миналото или виждане на бъдещето. В квантовия свят частиците могат да съществуват в „суперпозиция“, където множество резултати се случват едновременно. Понякога това означава, че събитията изглеждат неправилно или дори назад от нашата ежедневна гледна точка.
Now, imagine a game of chess. At the end of the game, you find that one hour has elapsed and that each player made 30 moves. You would conclude that each turn took on average 1 minute, but what can you infer about the average turn time of each player? It might be reasonable to… pic.twitter.com/agtWof7czW
— Josiah Sinclair (@JosiahSinclair) October 4, 2024
Пренаписване на правилата на светлината
В квантовия свят нещата невинаги следват правилата. Използвайки техника, наречена кръстосан ефект на Кер, Щайнберг и неговият екип измерили фазовите отмествания във вторичен лъч светлина, което им позволило да определят колко дълго атомите на рубидия остават възбудени.
Резултатите били объркващи: при определени условия времето за преминаване на фотоните през атомния облак било отрицателно. Екипът провел експериментите многократно, като използвал внимателно синхронизирани светлинни импулси, за да осигури точност. След като събирали данни в продължение на часове, те били сигурни какво са открили. Отрицателното време било реално. Е, поне по странния, вероятностен начин, който управлява квантовата сфера.
Обяснението се крие в странността на самата квантова механика. В ежедневния свят времето винаги се движи напред, но на квантово ниво, когато фотон взаимодейства с атом, взаимодействието не се случва по директен начин. Вместо това процесът е размит, размазан в набор от възможности. И този диапазон включва събития, които, изглежда, се случват не по ред.
Айнщайн малко е сгрешил за пространство-времето, казват трима учени
„Когато видите предаван фотон, не можете да знаете как точно се е държал“, обяснява Стайнберг. „В някои случаи фотонът може напълно да игнорира атома. В други случаи той взаимодейства, възбужда атома и след това напуска. Но в квантовата механика и двата резултата могат да се случат едновременно.
Какво означава това за квантовата физика?
Въпреки че това откритие няма да ни позволи да изградим машина на времето, то има интригуващи последици за областта на квантовите изчисления. Квантовите компютри разчитат на частици като фотони, за да пренасят и обработват информация. Ако учените могат да разберат по-добре как фотоните взаимодействат с атомите – дори в случаите, когато времето изглежда обърнато – това може да доведе до по-ефективни квантови системи.
Като контролират тези деликатни взаимодействия, изследователите могат да разработят по-стабилни квантови вериги, основните градивни елементи на квантовите компютри.
Но засега екипът е фокусиран върху разбирането на основната физика на това, което са открили. Резултатите повдигат дълбоки въпроси за това как светлината и материята си взаимодействат в квантовата сфера и дали това явление може да се появи в други системи.
Все пак някои учени остават предпазливи. Андрю Джордан, квантов физик от университета Чапман, хвали експеримента, но настоява за допълнителни тестове. „Времето е това, което се измерва с часовник“, казва той, цитирайки Айнщайн, добавяйки, че това е индиректен начин за измерване на изтичането на времето, което изисква допълнителни експерименти за валидиране.
Ако потокът на времето се обърне: Да създадеш по-добро утре, като поправиш проблемите от миналото
Засега отрицателното време остава пъзел – и то вълнуващ. Понякога в квантовата вселена това, което се случва след това, може вече да е в миналото.
Изводите на учените са публикувани на сървъра за препринт arXiv.
