Физики измерили отрицательное время: фотоны проходят сквозь атомы быстрее, чем должны

Группа физиков из Университета Торонто провела эксперимент, который подтверждает существование эффекта, долгое время считавшегося лишь статистическим артефактом. Исследователи показали, что фотоны, проходящие сквозь облако атомов рубидия, иногда покидают его раньше, чем должны, — настолько раньше, что вычисленное время их пребывания внутри облака становится отрицательным. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Атомы рубидия обладают способностью на короткое время поглощать энергию фотона определённой частоты, переходя в возбуждённое состояние, а затем высвобождать его обратно. В классическом представлении это означает, что фотон как бы «задерживается» в облаке на некоторое время, прежде чем продолжить свой путь. Однако квантовая механика вносит в эту картину существенные коррективы. Из-за принципа неопределённости Гейзенберга частица с точно определённой энергией не может иметь точно определённого положения во времени. Момент входа фотона в облако известен лишь в среднем, с некоторой размытостью.

Если сравнить этот усреднённый момент входа с фактическим временем прихода фотона на другую сторону облака, возникает удивительная картина: фотон приходит раньше, чем должен. В некоторых случаях настолько раньше, что вычисленное время пребывания внутри облака становится отрицательным. Этот эффект был впервые зафиксирован в эксперименте 1993 года, но долгое время физики относились к нему как к иллюзии, объясняя его особенностями распространения светового импульса. Считалось, что сквозь облако проходит лишь самый ранний, передний край длинного импульса, а остальная часть рассеивается, создавая ложное впечатление опережения. Однако новое исследование поставило эту интерпретацию под сомнение.

Учёные разработали способ «спросить» сами атомы, сколько времени фотон провёл среди них. Для этого через облако рубидия одновременно пропускали слабый лазерный луч, не связанный с самим фотоном, и по крошечным изменениям фазы этого луча оценивали, находились ли атомы в возбуждённом состоянии. Важно, что это измерение не разрушало сам квантовый эффект — слишком точное измерение привело бы к его исчезновению, что известно как квантовый эффект Зенона, когда наблюдение за системой изменяет её поведение.

Одно такое измерение даёт лишь грубую оценку. Однако усреднение по миллионам повторений эксперимента позволило получить точный результат: отрицательное время, полученное таким «слабым измерением», в точности совпало с временем, вычисленным по среднему моменту прихода фотона. И этот результат уже нельзя объяснить рассеянием переднего края импульса — он отражает реальное поведение квантовой системы.

Как подчёркивают авторы исследования, полученные результаты полностью укладываются в рамки стандартной физики и не означают, что учёные создали машину времени или нарушили причинно-следственные связи. Речь идёт о квантовом поведении частиц, где понятие времени пребывания приобретает иной смысл, чем в макроскопическом мире. Тем не менее, исследование впервые прямым образом доказывает, что отрицательное время пребывания — не иллюзия, а измеримый физический эффект, который можно зафиксировать и подтвердить независимым способом.

Это открытие может иметь далеко идущие последствия для квантовой оптики и понимания взаимодействия света с веществом на фундаментальном уровне. Оно показывает, что привычные интуитивные представления о времени и последовательности событий на квантовом уровне работают иначе, чем в повседневной жизни, и что физики всё ещё только начинают по-настоящему понимать природу этих явлений.