Физики экспериментально подтвердили реальность «отрицательного времени» в квантовой среде

Команда физиков из Университета Торонто и Университета Гриффита опубликовала в журнале Physical Review Letters результаты эксперимента, в котором феномен «отрицательного времени» в квантовой механике получил независимое экспериментальное подтверждение. В научной работе описывается, как фотоны, проходящие сквозь облако атомов рубидия, демонстрируют отрицательное время пребывания — а сами атомы, выступая своеобразными «свидетелями», это фиксируют.

Явление «группового запаздывания» со знаком минус в квантовой оптике известно давно: ещё в 1993 году наблюдалось, что отдельные фотоны покидают среду раньше, чем в неё входят. Однако большинство физиков склонны видеть в этом лишь математическую иллюзию. Они поясняют: начальная часть светового импульса успевает проскочить сквозь облако частиц практически без препятствий, в то время как основная масса света поглощается и рассеивается. Из-за этого эффекта создается ошибочное впечатление, что сигнал якобы преодолел пространство быстрее положенного. Один из авторов той работы 1993 года, профессор Эфраим Стейнберг, не согласился с подобной интерпретацией и поставил принципиально новый эксперимент.

В новом исследовании команда ученых под руководством Даниэлы Ангуло избрала иной подход к измерению. Фотоны пропускались через облако охлаждённых атомов рубидия-85. Когда фотон поглощается атомом, тот переходит в возбуждённое состояние и остаётся в нём до повторного испускания фотона — то есть длительность возбуждения прямо соответствует времени «пребывания» фотона в среде.

Чтобы не разрушить квантовое состояние системы при измерении (квантовый эффект Зенона делает прямое наблюдение невозможным), физики применили технику слабых измерений: через облако пропускался второй, слабый зондирующий лазерный пучок, а микроскопические сдвиги его фазы регистрировали уровень возбуждения атомов через эффект кросс-Керра. Одиночный опыт давал лишь приблизительное значение, однако усреднение по миллионам повторений позволило получить статистически достоверный результат.

Измерения показали: время, которое прошедшие сквозь облако фотоны провели в форме атомного возбуждения, совпадает с отрицательным групповым запаздыванием светового импульса — в том числе в областях параметров, где это запаздывание отрицательно. Иными словами, атомы рубидия «отчитались» о том же значении, что и детекторы на выходе: фотон как будто провёл в среде меньше нуля времени.

Теоретическую базу для интерпретации разработал Говард Уайзман из Университета Гриффита — с применением формализма слабых значений, в котором квантово-механические величины могут выходить за пределы классического диапазона собственных значений оператора.

Авторы работы особо подчёркивают: «отрицательное время» не означает путешествия в прошлое и не противоречит причинности. «Это не значит, что мы на пороге создания машины времени», — прямо заявил соавтор работы Уайзман. Эффект описывает специфику квантово-механического «времени дребезжания» при интерференционных и рассеивающих взаимодействиях — одного из нескольких определений времени, существующих в квантовой физике.

Стейнберг, в свою очередь, считает, что отрицательные значения следует воспринимать всерьёз: они способны описывать и другие физически наблюдаемые эффекты в квантовых системах. Потенциальные прикладные следствия — оптимизация квантовых схем передачи информации — пока остаются предметом теоретического осмысления.

Следующий этап исследования — измерение времени возбуждения для рассеянных фотонов (тех, что не прошли сквозь облако). Согласно теоретическим предсказаниям, они должны нести «избыточное» положительное время, которое в сумме с отрицательным даёт ноль или положительную величину для всего пучка. Эта гипотеза пока экспериментально не проверена.

Источник: Livescience