|
Физики измерили отрицательное время
|
|
|
|
Как рассказывает Гомер, Одиссей совершил эпическое путешествие, вопреки всем ожиданиям, из Трои в свой дом на Итаке. Он посетил множество земель, но большую часть времени жил с нимфой Калипсо на её острове. Можно представить, что его жена, Пенелопа, спросила бы его об этом конкретном периоде времени. Одиссей мог бы ответить: «Это было ничто. На самом деле, меньше, чем ничто. Минус пять лет я жил с Калипсо. Как иначе я мог вернуться домой всего через десять лет? Если вы мне не верите, спросите её».
|
|
|
|
Оказывается, квантовые частицы так же хитры, как и Одиссей, как мы показали в эксперименте, опубликованном в журнале Physical Review Letters. Время их прибытия не только может указывать на то, что они жили с другими частицами в течение отрицательного промежутка времени, но и если спросить эти другие частицы, они подтвердят эту историю.
|
|
|
|
Фотоны, находящиеся в атомах
|
|
|
|
В нашем эксперименте использовались фотоны — квантовые частицы света — и невероятно сложный путь, который они должны пройти, чтобы пройти прямо сквозь облако атомов рубидия.
|
|
|
|
Эти атомы находятся в «резонансе» с фотонами, то есть энергия фотона может временно передаваться атомам в виде атомного возбуждения. Это позволяет фотону «находиться» в атомном облаке некоторое время, прежде чем высвободиться.
|
|
|
|
Для того чтобы этот резонанс был эффективным, фотон должен иметь четко определенную энергию, соответствующую количеству энергии, необходимой для перевода атома рубидия в возбужденное состояние.
|
|
|
|
|
|
|
Но, согласно одной из форм знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, если энергия фотона четко определена, то время его прохождения должно быть неопределенным: импульс света, который занимает фотон, должен иметь большую длительность. Это означает, что мы не можем точно знать, когда фотон входит в облако, но мы можем знать в среднем, когда он входит.
|
|
|
|
Если подобный фотон выстрелить в облако, наиболее вероятным результатом будет передача его энергии атомам, после чего он будет переизлучен в виде фотона, движущегося в случайном направлении. В таких случаях фотон рассеивается и не достигает своей цели.
|
|
Время прибытия фотона
|
|
|
|
Но если фотон всё же проходит насквозь, происходит нечто странное. На основе среднего времени входа фотона в облако можно рассчитать ожидаемое среднее время его прибытия на противоположную сторону облака, предполагая, что он движется со скоростью света (как это обычно происходит с фотонами).
|
|
|
|
Оказывается, фотон прибывает гораздо раньше. Фактически, он прибывает настолько рано, что, по-видимому, проводит внутри облака отрицательное количество времени — в среднем, чтобы выйти до того, как войдёт в него.
|
|
|
|
Этот эффект известен уже несколько десятилетий и был обнаружен в эксперименте 1993 года. Но физики в основном решили не воспринимать это отрицательное время всерьёз.
|
|
|
|
Это объясняется тем, что только самая передняя часть импульса большой длительности проходит прямо сквозь атомное облако, а остальная часть рассеивается. Это приводит к тому, что успешный (нерассеянный) фотон прибывает раньше, чем можно было бы наивно ожидать.
|
|
Запрос к атомам
|
|
|
|
Однако Эфраим Штейнберг, один из авторов той статьи 1993 года, не спешил принимать это опровержение отрицательного времени как артефакта. В своей лаборатории в Университете Торонто он хотел выяснить, что произойдет, если опросить атомы рубидия в облаке, чтобы узнать, как долго фотон находился среди них в возбужденном состоянии.
|
|
|
|
После первоначального эксперимента с неубедительными результатами он попросил меня, как квантового теоретика, помочь выяснить, чего следует ожидать.
|
|
|
|
Когда мы говорим об опросе атомов, на практике это означает непрерывное измерение атомов во время прохождения фотона через облако, чтобы определить, находится ли энергия фотона в данный момент там. Но здесь есть один нюанс: измерения в квантовой физике неизбежно искажают измеряемую систему.
|
|
|
|
Если бы мы могли точно измерить, находится ли фотон в атомах в каждый момент времени, мы бы предотвратили взаимодействие атомов с фотоном. Это как если бы, просто внимательно наблюдая за Калипсо, мы помешали ей завладеть Одиссеем (или наоборот). Это хорошо известный квантовый эффект Зенона, который разрушил бы само явление, которое мы хотим изучать.
|
|
|
|
Наш эксперимент
|
|
|
|
Решение состоит в том, чтобы вместо этого провести очень неточное (но все же очень точно откалиброванное) измерение. Это цена, которую приходится платить за то, чтобы возмущение оставалось пренебрежимо малым. В частности, мы направили слабый лазерный луч — не связанный с одиночным фотонным импульсом — через облако атомов и измерили небольшие изменения фазы света луча, чтобы проверить, были ли атомы возбуждены.
|
|
|
|
Любой отдельный запуск эксперимента дает лишь очень приблизительное представление о том, находился ли фотон в атомах, но усреднение миллионов запусков дает точное время пребывания.
|
|
|
|
Удивительно, но результат этого слабого измерения времени пребывания, когда фотон проходит прямо сквозь облако, точно равен отрицательному времени, предполагаемому средним временем прихода фотонов. До нашей работы никто не предполагал, что эти два времени, измеренные совершенно разными способами, будут равны.
|
|
|
|
Важно отметить, что отрицательное значение слабо измеренного времени пребывания нельзя объяснить предположением, что через отверстие проходит только передняя часть импульса фотона, в отличие от времени, выведенного из времени прибытия.
|
|
|
|
Так что же всё это значит? Неужели машина времени уже не за горами?
|
|
|
|
К сожалению, нет. Наш эксперимент полностью объясняется стандартной физикой.
|
|
|
|
Но он показывает, что отрицательное время пребывания не является артефактом. Как бы парадоксально это ни звучало, оно оказывает непосредственно измеримое воздействие на атомное облако, через которое проходит фотон. И это напоминает нам, что на пути квантовых исследований ещё есть неизведанные территории.
|
|
|
|
Источник
|
