Квантовая физика знакома с удивительными, кажущимися бессмысленными явлениями: атомы и молекулы иногда ведут себя как частицы, иногда как волны; частицы могут быть связаны друг с другом странным действием на расстоянии; квантовые объекты могут отделяться от своих свойств, как Чеширский кот из «Приключений Алисы в стране чудес» от своей ухмылки. Теперь исследователи под руководством Даниэлы Ангуло из университета Торонто обнаружили еще один странный квантовый результат: фотоны, волновые частицы света, могут тратить отрицательное количество времени, проносясь через облако охлажденных атомов. Другими словами, фотоны могут выходить из материала раньше, чем входить в него.
«Это заняло положительное количество времени, но наш эксперимент, наблюдающий, что фотоны могут заставить атомы проводить отрицательное количество времени в возбужденном состоянии, завершен!» — написал Эфраим Стейнберг, физик из университета Торонто о новом исследовании…
Идея этой работы возникла в 2017 году. В то время Стейнберг и его коллега по лаборатории, тогда еще докторант Джосайя Синклер, интересовались взаимодействием света и материи, а именно явлением, называемым атомным возбуждением: когда фотоны проходят через среду и поглощаются, электроны, вращающиеся вокруг атомов в этой среде, переходят на более высокие энергетические уровни. Когда эти возбужденные электроны возвращаются в исходное состояние, они высвобождают поглощенную энергию в виде переизлученных фотонов, внося временную задержку в наблюдаемое время прохождения света через среду.
Команда Синклера хотела измерить эту временную задержку (которую иногда технически называют «групповой задержкой») и узнать, зависит ли она от судьбы фотона: был ли он рассеян и поглощен внутри атомного облака, или же он был передан без какого-либо взаимодействия?
После трех лет работы его команда разработала прибор для проверки этого вопроса в лаборатории. В ходе экспериментов фотоны пролетали через облако ультрахолодных атомов рубидия и измеряли степень возбуждения атомов. Эксперимент преподнес два сюрприза: иногда фотоны проходили сквозь облако без повреждений, но атомы рубидия все равно возбуждались — и так же долго, как если бы они поглотили эти фотоны. Еще более странно, что при поглощении фотонов они, похоже, переизлучались почти мгновенно, задолго до того, как атомы рубидия возвращались в исходное состояние — как будто фотоны в среднем покидали атомы быстрее, чем ожидалось.
Чтобы найти объяснение, команда сотрудничала с Говардом Уайзманом, физиком-теоретиком и квантовым физиком из университета Гриффита в Австралии. Теоретическая база, которая появилась в результате, показала, что время, которое эти переданные фотоны потратили на возбуждение атомов, полностью совпадает с ожидаемой групповой задержкой, которую приобрел свет — даже в тех случаях, когда казалось, что фотоны были переизлучены до того, как возбуждение атомов утихло.
Чтобы понять этот нелепый вывод, можно представить фотоны как нечеткие квантовые объекты, которыми они являются. Поглощение и испускание любого фотона через атомное возбуждение не гарантированно происходит за определенный фиксированный промежуток времени; скорее, это происходит в размытом, вероятностном диапазоне временных значений. Как показали эксперименты команды, эти значения могут включать в себя случаи, когда время прохождения отдельного фотона мгновенно — или, как ни странно, когда оно завершается до прекращения атомного возбуждения, что дает отрицательное значение.
Этот эксперимент можно понять, если рассмотреть два способа передачи фотона. В одном случае фотон надевает своеобразные очки и полностью игнорирует атом, уходя без единого колебания. В другом случае он взаимодействует с атомом, поднимая его на более высокий энергетический уровень, а затем переизлучается.
«Когда вы видите переданный фотон, вы не можете знать, что из этого произошло», — говорит Стейнберг, добавляя, что, поскольку фотоны являются квантовыми частицами в квантовой области, эти два результата могут находиться в суперпозиции — обе вещи могут происходить одновременно. «Измерительное устройство оказывается в суперпозиции, когда оно измеряет ноль и измеряет какое-то небольшое положительное значение». Но, как отмечает Стейнберг, это также означает, что иногда «измерительный прибор оказывается в состоянии, которое выглядит не как „ноль» плюс, а как „ноль» минус, что приводит к неправильному знаку, отрицательному значению, для данного времени возбуждения».
Результаты измерений в эксперименте Ангуло и ее коллег свидетельствуют о том, что фотоны перемещались через среду быстрее, когда возбуждали атомы, чем когда атомы оставались в основном состоянии. (Фотоны не передают никакой информации, поэтому результат не противоречит ограничению скорости «ничто не может двигаться быстрее света», установленному специальной теорией относительности Эйнштейна).
Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но она означает, что если построить «квантовые» часы для измерения времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии, то при определенных обстоятельствах стрелка часов будет двигаться не вперед, а назад, — говорит Синклер. Другими словами, время, за которое фотоны были поглощены атомами, отрицательно.
Это удивительное явление еще раз иллюстрирует, что квантовый мир таит в себе сюрпризы. Оно также позволяет нам понять бесконечность Всевышнего...