Квантовый эксперимент измеряет кажущуюся «отрицательную задержку времени» для фотонов

Это открытие, подробно описанное в препринте, представленном для рецензирования и опубликованном The Independent, представляет собой увлекательную головоломку относительно концепции времени в квантовых взаимодействиях, а не предполагает, что само время течет вспять.

Подробности квантового эксперимента

Исследователи, в том числе из Тринити-колледжа, связанного с Университетом Торонто, направили фотоны через облако ультрахолодных атомов рубидия, чтобы изучить процесс атомного возбуждения. Обычно, когда фотоны взаимодействуют с атомами в такой среде, наблюдается задержка времени (часто характеризуемая «групповой задержкой» или «временем пребывания») – фотонам требуется некоторое время, чтобы пройти через облако из-за взаимодействий. Однако, тщательно изучая поведение фотонов в течение семи лет, команда столкнулась с экстраординарными результатами при определенных экспериментальных условиях:

• Некоторые фотоны были обнаружены выходящими из облака, связанными с расчетным временем взаимодействия, которое было отрицательным – в частности, в их препринте сообщалось об отрицательном «времени пребывания» до -0,47 миллисекунды.
• Это отрицательное значение возникло потому, что пик волнового пакета фотонов появился на выходе раньше, чем можно было бы ожидать, исходя из скорости света в вакууме и длины облака, создавая иллюзию того, что они ушли до того, как закончили взаимодействовать.
• Это наблюдение фундаментально бросает вызов тому, как мы интерпретируем время взаимодействия, полученное из квантовых измерений, и поднимает интригующие вопросы о природе связанных со временем показателей в квантовом масштабе.

Неожиданное поведение фотонов

Необычное поведение фотонов, наблюдаемое в эксперименте, указывает на явления, отличные от простых классических взаимодействий. Ключевые наблюдения включали:

• Расчет, дающий отрицательное время взаимодействия, предполагающий, что фотоны эффективно «перескочили вперед» во времени относительно ожидаемой задержки.
• Случаи, когда атомы возбуждались, даже когда казалось, что переданный фотон не взаимодействовал значительным образом (известное квантовое явление, связанное с концепциями измерения без взаимодействия).
• Фотоны поглощались, а затем почти мгновенно переизлучались в условиях, приводящих к эффекту отрицательной задержки.

Физик-теоретик Говард Вайзман (Университет Гриффита, не принимал непосредственного участия, но комментирует связанные концепции) предполагает, что такие явления часто проистекают из вероятностной природы квантовой механики. Поглощение и излучение фотонов следуют вероятностным моделям. В некоторых квантовых сценариях, особенно связанных с интерференцией и суперпозицией, средний или наиболее вероятный исход измерения может дать нелогичные результаты, такие как кажущаяся отрицательная задержка времени. В статье из Торонто предполагается, что принцип квантовой суперпозиции является ключевым: частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, испытывая различные потенциальные исходы. Важно отметить, что они предполагают, что даже измерительный прибор сам по себе может войти в суперпозицию, одновременно регистрируя различные возможности взаимодействия. Эта квантовая размытость, когда измерения выполняются и усредняются, может проявляться как отрицательное значение для расчетного времени взаимодействия, подчеркивая нелогичную природу квантового измерения.

Интерпретация «отрицательной задержки времени»

Хотя концепция «отрицательной задержки времени» или «отрицательного времени пребывания» бросает вызов нашей повседневной интуиции, она, что крайне важно, не подразумевает, что само время течет вспять или что причинность нарушается (допуская следствие раньше причины). Вместо этого она проливает свет на своеобразную природу квантовых измерений и их вероятностные исходы при определении продолжительности взаимодействия.

Отрицательная задержка предполагает, что гипотетические «квантовые часы», предназначенные для измерения продолжительности, скажем, на основе процесса возбуждения атома, могут казаться идущими назад в этих конкретных условиях квантовой интерференции. Этот эффект возникает из-за вероятностной природы квантовых взаимодействий, где фотоны и атомы существуют в суперпозициях. Измеренные отрицательные значения являются следствием того, как время взаимодействия определяется и измеряется в этом квантовом контексте, включая интерференцию между различными амплитудами вероятностей, а не фундаментальное обращение стрелы времени.

Эти результаты подчеркивают ограничения применения классических концепций продолжительности времени непосредственно к квантовым системам. Они предполагают, что могут потребоваться новые рамки или уточненные интерпретации для полного понимания временного поведения на квантовом уровне, особенно при работе с переформированием волновых пакетов и интерференцией.

Хотя эти результаты не изменят нашего макроскопического восприятия времени, текущего вперед, они открывают новые пути для исследования природы времени в квантовой механике и могут привести к уточненным интерпретациям квантовых оптических экспериментов и, возможно, новым квантовым методам измерения.

Статус исследования и реакция научного сообщества

Исследование, описывающее это квантовое явление, под названием «Экспериментальное доказательство того, что фотон может проводить отрицательное время в атомном облаке», в настоящее время проходит рецензирование (доступно в виде препринта на arXiv). Несмотря на свой предварительный статус, исследование вызвало значительный интерес и удивление в научном сообществе.

Эфраим Штейнберг, экспериментальный квантовый физик из Университета Торонто и ведущий автор статьи, поделился в социальных сетях, что результаты на первый взгляд могут показаться «сумасшедшими». Джозайя Синклер, другой участвовавший исследователь, выразил, что команда была «совершенно удивлена» своими результатами. Реакция научного сообщества – это осторожное любопытство, признание необходимости тщательного рецензирования и независимого воспроизведения для подтверждения таких экстраординарных заявлений и полного понимания их последствий.

Хотя открытие является захватывающим, эксперты подчеркивают, что эти результаты относятся к сложностям квантового измерения и динамики волновых пакетов. Они не опровергают наше фундаментальное понимание макроскопического времени, но подчеркивают необходимость тщательной интерпретации при обсуждении временных концепций в квантовой области.