Отрицательное время: квантовый парадокс подтвердили, спросив у атомов
Когда луч света проходит сквозь облако атомов, фотоны иногда, кажется, проводят там отрицательное количество времени: свет выходит из облака до того, как входит в него. Теперь физики подтвердили эту квантовую странность, спросив сами атомы. «Это не значит, что мы на пороге создания машины времени или чего-то подобного», — рассказал Live Science соавтор исследования Говард Уайзман, физик-теоретик из Университета Гриффита в Австралии. «Всё это можно понять в рамках стандартной физики, но это еще одно удивительное свойство квантовой физики, которого люди не подозревали».
Фотоны, проходящие через облако атомов, могут временно поглощаться. Они исчезают как частицы света и появляются вновь как атомные возбуждения — своего рода накопленная энергия, — прежде чем переизлучиться. Некоторые фотоны, называемые прошедшими, проходят сквозь примерно в том же направлении, в котором вошли. Другие рассеиваются в случайных направлениях. Эксперименты, начиная с 1993 года, уже намекали на то, что прошедшие фотоны имеют тенденцию достигать детектора раньше, чем центр их собственного импульса входит в облако. Это подразумевает отрицательное время прохождения.
Но была проблема с такой установкой: фотоны в передней части импульса могут иметь больше шансов пройти, чем фотоны в задней части. Если смотреть только на те, которые прошли, конечно, они кажутся ранними. Но это оставляло место для более простого объяснения. «Люди убеждали себя, что это не так безумно, как звучит», — сказал Уайзман Live Science.
В новой статье, опубликованной 13 апреля в журнале Physical Review Letters, физики попробовали другой подход. Вместо того чтобы следить за тем, когда фотон достигает детектора, они отслеживали, находились ли атомы в возбужденном состоянии, пока фотон проходил сквозь них. Когда фотон поглощается атомом, он сохраняется как энергия, заставляя атом переходить в то, что физики называют возбужденным состоянием. Атом остается в этом возбужденном состоянии, пока не переизлучит фотон. Следовательно, измерение продолжительности возбужденного состояния атома показывает, как долго фотон был поглощен атомом.
Команда измерила это с помощью второго пучка света, который фиксировал крошечный сдвиг фазы в зависимости от уровней возбуждения атомов. Пучок света действовал как живое считывание того, что атомы испытывают от момента к моменту. Это атомное считывание подтвердило квантовое безумие более ранних экспериментов. «Вы получите тот же ответ, если спросите атомы: «Как долго фотон оставался с вами?» — сказал Уайзман. — «Они также дадут вам ответ, который будет отрицательным временем».
Получить этот ответ было непросто, потому что измерение квантовых систем возмущает их. В данном случае оно потенциально предотвращает поглощение фотона вообще. Поэтому команда использовала «слабые измерения», которые являются деликатными, но чрезвычайно шумными. Любой отдельный запуск эксперимента был переполнен шумом — случайными флуктуациями, из-за которых невозможно было отличить сигнал от статики в любом отдельном измерении. Только после усреднения примерно миллиона прогонов проявился четкий сигнал. Примерно по семи наборам экспериментальных параметров общий сбор данных занял около 70 часов.
«Даже в такой простой вещи, как взаимодействие фотона с атомами, люди проводили расчеты почти 100 лет назад», — сказал Уайзман. «Сам факт того, что это все еще может преподносить сюрпризы спустя столько времени, интересен». Следующая цель команды — фотоны, которые не проходят сквозь облако. Теория предсказывает, что эти рассеянные фотоны несут дополнительное положительное время возбуждения. Этого достаточно, чтобы уравновесить отрицательное время прошедших, оставляя общее среднее для луча света нулевым или положительным. Это предсказание еще никогда не проверялось.
Однако было бы ошибкой думать, что отрицательное время — это просто забавный квантовый курьез без практического значения. Напротив, само существование этого эффекта ставит под сомнение наше интуитивное понимание причинности на микроскопическом уровне. В макромире причина всегда предшествует следствию: бильярдный шар не отскочит до того, как вы ударите его кием. Но в мире фотонов и атомов хронология событий становится размытой. Отрицательное время вовсе не означает, что фотон прибывает в детектор раньше, чем был испущен — путешествие во времени запрещено даже квантовой физикой. Скорее, это иллюстрация того, что в квантовой механике понятия «до» и «после» теряют свою абсолютность, когда речь идет о процессах, включающих вероятности поглощения и переизлучения.
Чтобы понять этот парадокс, представьте себе очередь в магазин. Если вы измерите время, которое проводят в очереди только те люди, которых обслужили особенно быстро (ваш аналог «прошедших фотонов»), то среднее время для них окажется меньше реального. В крайних случаях оно может стать даже отрицательным — если сравнивать момент, когда они должны были войти по расписанию, с моментом выхода. Но это не значит, что они вышли до входа — просто статистика выбрала «быструю» группу. Атомное «интервью» подтвердило: распределение времен пребывания фотонов в облаке действительно смещено так, что мода (наиболее вероятное значение) лежит в отрицательной области.
Интересно, что сам Уайзман и его коллеги наткнулись на этот эффект почти случайно, занимаясь усовершенствованием методов квантовой томографии. Изначально их интересовала не скорость света, а то, как можно измерять квантовые состояния, не разрушая их. «Отрицательное время» стало побочным продуктом, который сначала восприняли как артефакт, о чем сам Уайзман рассказал в недавнем интервью журналу New Scientist. Но когда многократные проверки не смогли устранить аномалию, ученые поняли, что имеют дело с реальным предсказанием квантовой электродинамики, которое просто никто раньше серьезно не тестировал — слишком абсурдным оно казалось.
Критики, однако, указывают на одну важную оговорку: результаты не означают, что информация или энергия могут передаваться с отрицательной задержкой. «Скорость света в вакууме — непреодолимый барьер, и наш эксперимент не нарушает его», — подчеркивает Уайзман. Отрицательное время — это свойство статистического распределения квантовых событий, а не возможность заставить сигнал прибыть раньше отправления. По сути, фотон «пробует» все возможные пути через атомное облако, включая те, где он проходит «слишком быстро». В квантовой механике такие пути имеют вероятности, которые могут быть выше нуля. И эксперимент впервые дал способ «взвесить» эти вероятности напрямую.
В практическом плане открытие может повлиять на разработку сверхчувствительных датчиков и квантовых часов. Понимание точной задержки (или опережения) при взаимодействии фотонов со средой критически важно для навигационных систем, основанных на холодных атомах, и для квантовых повторителей в будущих квантовых интернетах. Кроме того, сам метод «слабых измерений» уже находит применение в других областях — от квантовой биологии до тестирования основ общей теории относительности в лабораторных условиях. Команда Уайзмана сейчас работает над тем, чтобы применить ту же технику для измерения времени туннелирования — еще одного процесса, где квантовая частица проводит время внутри барьера, который классически не может преодолеть. Если и там обнаружится отрицательная компонента, физикам, возможно, придется пересмотреть сам язык, которым мы описываем причинность в микромире. А пока это остается красивым напоминанием о том, что даже спустя сто лет квантовая механика не перестает удивлять.
