Физики измерили «отрицательное время» в лаборатории: фотон покидал облако атомов до того, как в него входил

Квантовая частица света проходила сквозь облако атомов рубидия и выходила с другой стороны раньше, чем входила. Измерения показали, что время пребывания фотона внутри облака было отрицательным. Учёные подтвердили этот эффект двумя независимыми методами. Никакой машины времени не построили — это обычная квантовая физика

Одиссей потратил десять лет на путь от Трои до Итаки. Пять из них он провёл на острове у нимфы Калипсо. Его жена Пенелопа могла бы спросить, куда делись эти годы. Одиссей ответил бы: «Это было ничто. Даже меньше, чем ничто. Минус пять лет я пробыл с Калипсо. Иначе как бы я добрался домой всего за десять лет?»

Квантовые частицы ведут себя так же хитро, как Одиссей. Их время прибытия может указывать на то, что они провели с другими частицами отрицательное количество времени. Если спросить эти другие частицы, они подтвердят историю.

Фотоны, застревающие в атомах

Эксперимент использовал фотоны — квантовые частицы света. Их заставляли проходить сквозь облако атомов рубидия. У атомов есть «резонанс» с фотонами: энергия фотона может временно передаваться атомам, возбуждая их. Фотон задерживается в облаке, прежде чем выйти наружу.

Но если энергия фотона точно соответствует энергии, необходимой для возбуждения атома, то из-за принципа неопределённости Гейзенберга время его входа в облако становится размытым. Нельзя знать точно, когда фотон вошёл, — можно только усреднённое значение.

Фотон выходит раньше, чем входит

Если фотон всё-таки проходит сквозь облако (а не рассеивается в случайном направлении), происходит странное. Исходя из среднего времени входа, можно рассчитать ожидаемое среднее время выхода — при условии, что фотон движется со скоростью света. Ожидаемое время выхода оказывается гораздо позже.

Но фотон выходит намного раньше. Настолько раньше, что создаётся впечатление, будто он провёл внутри облака отрицательное время. То есть покинул облако раньше, чем вошёл.

Этот эффект известен десятилетиями и наблюдался ещё в 1993 году. Физики предпочитали не воспринимать отрицательное время всерьёз. Его объясняли тем, что сквозь облако проходит только самый передний фронт длинного светового импульса, а остальная часть рассеивается. Успешный (не рассеянный) фотон приходит раньше, чем ожидалось — но никакого отрицательного времени в этом нет.

Что, если спросить атомы

Афрейм Стейнберг, один из авторов той самой работы 1993 года, не спешил списывать отрицательное время на артефакт. В своей лаборатории в Университете Торонто он решил выяснить: что произойдёт, если спросить сами атомы, сколько времени фотон пробыл среди них в виде возбуждения?

Теоретик Говард Уайзман предложил решение. Вместо точных измерений (которые остановили бы взаимодействие — знаменитый квантовый эффект Зенона) нужно сделать измерения очень неточными, но точно откалиброванными. Цена — слабый сигнал. Слабым лазерным лучом (не связанным с фотонным импульсом) облучали облако атомов и измеряли крошечные изменения фазы. Каждый отдельный эксперимент давал лишь очень грубую оценку, но усреднение миллионов запусков давало точное значение.

Отрицательное время подтверждено

Результат оказался ошеломляющим. Слабое измерение времени пребывания фотона в облаке дало то же отрицательное значение, которое следовало из среднего времени прибытия фотонов. Никто до этой работы не подозревал, что два времени, измеренные совершенно разными способами, совпадут.

И главное: отрицательное значение слабо измеренного времени пребывания нельзя объяснить тем, что сквозь облако проходит только передний фронт импульса. Артефакт исключён.

Никакой машины времени

 Эксперимент ничего не говорит об этом. Он полностью описывается стандартной квантовой физикой — без путешествий во времени, без нарушения причинности. Отрицательное время — не артефакт. Оно имеет прямо измеримый эффект на атомное облако. И напоминает, что в квантовых исследованиях ещё остаются земли, которые предстоит открыть.

Вопрос в том, как квантовая механика позволяет частицам вести себя так, что причина и следствие теряют привычный порядок. И если фотон может покинуть облако до того, как в него войдёт, то что это говорит о нашем понимании времени как линейной последовательности событий.