Așa cum ne spune Homer, Odiseu a făcut o călătorie epică, împotriva tuturor riscurilor, din Troia până la casa sa din Ithaca. A vizitat multe ținuturi, dar a locuit mai ales cu nimfa Calipso pe insula acesteia. Ne putem imagina că soția sa, Penelopa, l-ar fi întrebat despre acea perioadă anume. Odiseu ar fi putut răspunde: „N-a fost nimic. De fapt, a fost mai puțin decât nimic. Am locuit cu Calipso minus cinci ani. Altfel cum aș fi putut ajunge acasă după doar zece ani? Dacă nu mă crezi, întreab-o pe ea”.
Se pare că particulele cuantice sunt la fel de viclene ca Odiseu, după cum am arătat într-un experiment publicat în revista Physical Review Letters. Nu doar că timpul lor de sosire poate sugera că au „locuit” împreună cu alte particule pentru o perioadă negativă de timp, dar dacă întrebi acele alte particule, ele vor confirma povestea.
Fotoni care „locuiesc” printre atomi
Experimentul nostru a folosit fotoni, particule cuantice ale luminii, și călătoria improbabilă pe care trebuie să o realizeze pentru a trece direct printr-un nor de atomi de rubidiu.
Acești atomi pot ajunge în „rezonanță” cu fotonii, ceea ce înseamnă că energia fotonului poate fi transferată temporar atomilor sub forma unei excitații atomice. Acest lucru îi permite fotonului să „locuiască” pentru un timp în norul atomic înainte de a fi eliberat.
Pentru ca această rezonanță să fie eficientă, fotonul trebuie să aibă o energie bine definită, care să corespundă cantității de energie necesare pentru a aduce un atom de rubidiu într-o stare excitată.
Însă, printr-o formă a celebrului principiu al incertitudinii al lui Werner Heisenberg, dacă energia fotonului este bine definită, atunci momentul său temporal trebuie să fie incert: impulsul de lumină în care se află fotonul trebuie să aibă o durată mare. Asta înseamnă că nu putem ști exact când intră fotonul în nor, dar putem ști, în medie, când intră.
Dacă un astfel de foton este trimis în norul de atomi, cel mai probabil rezultat este ca energia sa să fie transferată atomilor, iar apoi reemisă sub forma unui foton care călătorește într-o direcție aleatorie. În astfel de cazuri, fotonul este deviat și nu reușește să ajungă în propria sa Ithaca.
Momentele de sosire ale fotonilor
Dar dacă fotonul reușește totuși să treacă direct prin nor, se întâmplă ceva ciudat. Pe baza timpului mediu în care fotonul intră în nor, se poate calcula timpul mediu estimat la care ar trebui să ajungă la cealaltă extremitate a norului, presupunând că se deplasează cu viteza luminii, așa cum fac de obicei fotonii.
Ceea ce se constată este că fotonul ajunge, de fapt, mult mai devreme decât atât. De fapt, ajunge atât de devreme, încât pare să fi petrecut o perioadă negativă de timp în interiorul norului, adică să iasă, în medie, înainte de a intra.
Acest efect este cunoscut de zeci de ani și a fost observat într-un experiment din 1993. Dar fizicienii au decis, în mare parte, să nu ia prea în serios acest timp negativ.
Asta pentru că efectul poate fi explicat spunând că doar partea din față a pulsului luminos, care are o durată mare, reușește să treacă direct prin norul atomic, în timp ce restul este împrăștiat. Acest lucru face ca un foton care trece cu succes, fără a fi împrăștiat, să ajungă mai devreme decât ar fi de așteptat intuitiv.
Întrebând atomii
Totuși, Aephraim Steinberg, unul dintre autorii articolului din 1993, nu s-a grăbit să accepte această respingere a timpului negativ ca simplu artefact experimental. În laboratorul său de la University of Toronto, el a vrut să afle ce se întâmplă dacă atomii de rubidiu din nor sunt „întrebați” cât timp a petrecut fotonul printre ei sub forma unei excitații. După un experiment inițial cu rezultate neconcludente, mi-a cerut mie, teoretician în fizica cuantică, ajutorul pentru a stabili ce ar trebui să ne așteptăm să observăm.
Când vorbim despre „interogarea” atomilor, asta înseamnă, în practică, efectuarea continuă a unei măsurători asupra atomilor în timp ce fotonul traversează norul, pentru a verifica dacă energia fotonului se află în acel moment acolo. Dar aici apare o subtilitate: măsurătorile din fizica cuantică perturbă inevitabil sistemul măsurat.
Dacă am face o măsurătoare precisă pentru a verifica dacă fotonul „locuiește” în atomi la fiecare moment de timp, am împiedica atomii să mai interacționeze cu fotonul. Este ca și cum, doar privind-o atent pe Calipso, am împiedica-o să pună mâna pe Odiseu sau invers. Acesta este binecunoscutul efect cuantic Zeno, care ar distruge chiar fenomenul pe care vrem să-l studiem.
Experimentul nostru
Soluția este să efectuăm, în schimb, o măsurătoare foarte imprecisă, dar totuși calibrată foarte precis. Acesta este prețul plătit pentru a menține perturbarea neglijabilă. Mai exact, am trimis un fascicul laser slab, fără legătură cu pulsul de foton singular, prin norul de atomi și am măsurat mici schimbări ale fazei luminii fasciculului pentru a verifica dacă atomii erau excitați.
Orice execuție individuală a experimentului oferă doar o indicație foarte aproximativă despre faptul că fotonul a „locuit” sau nu în atomi, dar media a milioane de execuții produce un timp de staționare precis.
În mod uimitor, rezultatul acestei măsurători slabe a timpului de staționare, atunci când fotonul trece drept prin nor, este exact egal cu timpul negativ sugerat de timpul mediu de sosire al fotonilor. Înaintea lucrării noastre, nimeni nu bănuise că aceste două timpuri, măsurate în moduri complet diferite, ar putea fi egale.
Important, valoarea negativă a timpului de staționare măsurat slab nu poate fi explicată imaginându-ne că doar partea frontală a pulsului fotonului reușește să treacă, spre deosebire de timpul dedus din momentul sosirii.
Așadar, ce înseamnă toate acestea? Este oare o mașină a timpului după colț? Din păcate, nu. Experimentul nostru este explicat complet de fizica standard. Dar arată că timpul negativ de staționare nu este un efect secundar. Oricât de paradoxal ar părea, el are un efect măsurabil direct asupra norului atomic traversat de foton. Și ne amintește că încă mai există teritorii de descoperit în odiseea reprezentată de cercetarea cuantică.
Traducere după Physicists have measured ‘negative time’ in the lab de Howard Wiseman, Director, Centre for Quantum Dynamics, Griffith University.
