Ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής επιβεβαιώθηκε με νέο πείραμα, το οποίο ανέδειξε πως όταν φωτόνια περνούν μέσα από ένα νέφος ατόμων, ο χρόνος που φαίνεται να «παραμένουν» εκεί μπορεί να πάρει αρνητική τιμή.

Με απλά λόγια, σε ορισμένες μετρήσεις το φως μοιάζει να εξέρχεται από το νέφος πριν ακόμη ολοκληρωθεί η είσοδός του σε αυτό.

Οι φυσικοί τονίζουν ότι το φαινόμενο δεν σημαίνει ταξίδι προς τα πίσω στον χρόνο και δεν ανοίγει τον δρόμο για «χρονομηχανές». Αντίθετα, αποτελεί ακόμη μία ιδιόμορφη συνέπεια του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν τα κβαντικά συστήματα.

«Δεν σημαίνει ότι βρισκόμαστε κοντά στην κατασκευή μιας μηχανής του χρόνου», εξήγησε ο θεωρητικός κβαντικός φυσικός Χάουαρντ Γουάιζμαν του Πανεπιστημίου Γρίφιθ στην Αυστραλία: «Μπορεί να ερμηνευθεί πλήρως με τη συνηθισμένη φυσική, αλλά είναι ακόμη μία παράξενη ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής που δεν είχε προβλεφθεί με αυτόν τον τρόπο», όπως δήλωσε στο livescience.

• Διαβάστε επίσης: Φυσική / Επιστήμονες «πάγωσαν» περιστρεφόμενο νανοσωματίδιο στο απόλυτο κβαντικό όριο της αβεβαιότητας

Τι συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο περνά μέσα από νέφος ατόμων

Τα φωτόνια, δηλαδή τα σωματίδια του φωτός, μπορούν όταν περνούν μέσα από ένα νέφος ατόμων να απορροφηθούν προσωρινά.

Σε αυτή τη φάση παύουν για λίγο να υπάρχουν ως ελεύθερα σωματίδια φωτός και η ενέργειά τους αποθηκεύεται στο άτομο, το οποίο περνά σε αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «διεγερμένη κατάσταση».

Στη συνέχεια, το άτομο επανεκπέμπει το φωτόνιο.

Μερικά φωτόνια συνεχίζουν περίπου προς την ίδια κατεύθυνση με την οποία εισήλθαν στο νέφος. Αυτά ονομάζονται μεταδιδόμενα φωτόνια. Άλλα σκεδάζονται και κατευθύνονται προς διαφορετικά σημεία.

Γιατί οι επιστήμονες μιλούν για «αρνητικό χρόνο»

Ήδη από πειράματα που χρονολογούνται από το 1993, οι φυσικοί είχαν παρατηρήσει κάτι παράδοξο, ότι τα φωτόνια που τελικά περνούσαν μέσα από το νέφος έφταναν στον ανιχνευτή νωρίτερα από ότι θα περίμενε κανείς – με βάση το κέντρο του παλμού φωτός που εισερχόταν.

Αυτό μπορούσε να ερμηνευθεί μαθηματικά σαν ο χρόνος διέλευσης να ήταν αρνητικός.

Υπήρχε, όμως, ένα σημαντικό πρόβλημα. Ήταν πιθανό τα φωτόνια που βρίσκονταν στο μπροστινό τμήμα του παλμού να είχαν απλώς μεγαλύτερη πιθανότητα να περάσουν μέσα από το νέφος από εκείνα που βρίσκονταν στο πίσω μέρος.

Αν οι ερευνητές εξέταζαν μόνο όσα φωτόνια κατάφερναν να περάσουν, θα μπορούσε έτσι να δημιουργείται η ψευδαίσθηση ότι εμφανίζονται «νωρίτερα», χωρίς να υπάρχει πραγματικά κάποια αρνητική χρονική διάρκεια.

• Διαβάστε επίσης: Kβαντική βαρύτητα / Αμφισβητούνται παραδοσιακές ερμηνείες – Μήπως ο χωροχρόνος δεν βρίσκεται τελικά σε «υπέρθεση»;

Αυτή τη φορά οι φυσικοί «ρώτησαν» τα ίδια τα άτομα

Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση.

Αντί να μετρούν απλώς πότε ένα φωτόνιο έφτανε στον ανιχνευτή, οι επιστήμονες παρακολούθησαν την κατάσταση των ίδιων των ατόμων όσο το φωτόνιο περνούσε από το νέφος.

Όπως αναφέραμε και νωρίτερα, όταν ένα άτομο απορροφά ένα φωτόνιο, περνά σε διεγερμένη κατάσταση και παραμένει έτσι μέχρι να το επανεκπέμψει.

Άρα, αν μετρηθεί για πόσο χρόνο το άτομο παραμένει διεγερμένο, μπορεί να υπολογιστεί και για πόσο διάστημα το φωτόνιο ήταν ουσιαστικά «αποθηκευμένο» μέσα σε αυτό.

Ένα δεύτερο φως λειτούργησε σαν «ζωντανός μετρητής»

Για να πραγματοποιήσουν αυτή τη μέτρηση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δεύτερη δέσμη φωτός.

Η δέσμη αυτή υφίστατο μια εξαιρετικά μικρή μετατόπιση φάσης ανάλογα με το επίπεδο διέγερσης των ατόμων.

Έτσι, λειτούργησε ως ένα είδος συνεχούς «δείκτη», που επέτρεπε στους επιστήμονες να παρακολουθούν σε πραγματικό χρόνο τι συνέβαινε στα άτομα – και το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο με εκείνο των παλαιότερων πειραμάτων.

Όπως το έθεσε χαρακτηριστικά ο Γουάιζμαν: «Παίρνεις την ίδια απάντηση αν ρωτήσεις τα άτομα: “Για πόσο χρόνο έμεινε το φωτόνιο μαζί σας;”. Και αυτά επίσης θα σου δώσουν μια απάντηση που αντιστοιχεί σε αρνητικό χρόνο».

Γιατί χρειάστηκαν περίπου ένα εκατομμύριο επαναλήψεις

Η επιβεβαίωση αυτή ήταν εξαιρετικά δύσκολη, επειδή στη κβαντική φυσική η ίδια η μέτρηση μπορεί να επηρεάσει το σύστημα που εξετάζεται.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση, μια πολύ ισχυρή μέτρηση θα μπορούσε ακόμη και να εμποδίσει το φωτόνιο να απορροφηθεί από το άτομο.

Για αυτό οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις λεγόμενες «ασθενείς μετρήσεις». Πρόκειται για πολύ ήπιες μετρήσεις που διαταράσσουν ελάχιστα το σύστημα, αλλά έχουν ένα σοβαρό μειονέκτημα: παράγουν πάρα πολύ θόρυβο.

Σε κάθε μεμονωμένη επανάληψη του πειράματος, οι τυχαίες διακυμάνσεις ήταν τόσο μεγάλες ώστε το πραγματικό σήμα δεν μπορούσε να ξεχωρίσει.

Χρειάστηκαν περίπου ένα εκατομμύριο επαναλήψεις για να εμφανιστεί καθαρά το αποτέλεσμα μετά τον στατιστικό μέσο όρο.

Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν περίπου επτά διαφορετικά σύνολα πειραματικών συνθηκών, με τη συνολική διάρκεια συλλογής δεδομένων να φτάνει περίπου τις 70 ώρες.

Τι σημαίνει πραγματικά ο «αρνητικός χρόνος»

Ο όρος μπορεί εύκολα να δημιουργήσει λάθος εντυπώσεις.

Δεν σημαίνει ότι το φωτόνιο ταξίδεψε κυριολεκτικά προς το παρελθόν ή ότι παραβιάστηκε η αιτιότητα.

Πρόκειται για μια κβαντική ποσότητα που προκύπτει από τον τρόπο με τον οποίο υπολογίζεται ο χρόνος αλληλεπίδρασης του φωτός με τα άτομα όταν εξετάζονται μόνο συγκεκριμένα φωτόνια, δηλαδή εκείνα που τελικά μεταδίδονται μέσα από το νέφος.

Το σημαντικό είναι ότι η αρνητική τιμή δεν εμφανίστηκε μόνο στην άφιξη των φωτονίων στον ανιχνευτή.

Καταγράφηκε και στην ίδια την απόκριση των ατόμων, γεγονός που ενισχύει την άποψη ότι πρόκειται για πραγματικό χαρακτηριστικό της κβαντικής αλληλεπίδρασης και όχι για απλό τέχνασμα της μέτρησης.

Το επόμενο βήμα: Τα φωτόνια που σκεδάζονται

Η ομάδα θέλει τώρα να εξετάσει τα φωτόνια που δεν περνούν ευθεία μέσα από το νέφος αλλά σκεδάζονται προς άλλες κατευθύνσεις.

Η θεωρία προβλέπει ότι αυτά θα πρέπει να συνδέονται με έναν επιπλέον θετικό χρόνο διέγερσης.

Αν αυτό επιβεβαιωθεί, ο θετικός χρόνος των σκεδαζόμενων φωτονίων θα αντισταθμίζει τον αρνητικό χρόνο των μεταδιδόμενων, ώστε ο συνολικός μέσος χρόνος για ολόκληρη τη δέσμη φωτός να παραμένει μηδενικός ή θετικός.

Αυτή η πρόβλεψη, ωστόσο, δεν έχει ακόμη ελεγχθεί πειραματικά.

Όπως σημείωσε ο Γουάιζμαν, ακόμη και σε ένα σύστημα που φαίνεται τόσο απλό – ένα φωτόνιο που αλληλεπιδρά με άτομα – η κβαντική φυσική εξακολουθεί να κρύβει εκπλήξεις, παρότι οι επιστήμονες μελετούν παρόμοιες αλληλεπιδράσεις εδώ και σχεδόν έναν αιώνα.