Когда речь заходит о квантовой физике, описывающей мир на уровне атомов и элементарных частиц, все кажется противоречащим нашему привычному пониманию реальности. Тем не менее эта область научных исследований давно прочно вошла в повседневную жизнь, а ученые продолжают открывать новые удивительные явления. Недавно исследовательская группа из Университета Торонто (Канада) и Университета Гриффита (Австралия) экспериментально доказала, что фотоны – кванты света – могут проводить «отрицательное количество времени» в облаке атомов. Новое открытие бросает вызов современным представлениям о том, как свет взаимодействует с материей и имеет фундаментальное значение для науки.

Новый эксперимент ставит под сомнение наши представления о том, как свет взаимодействует с материей. Изображение: scientificamerican.com

Фотоны — безмассовые частицы, образующие видимый свет — могут поглощаться атомами, через которые проходят.

Фотоны в облаке атомов

Команда физиков только что открыла загадочное квантовое явление под названием «отрицательное время». В работе, опубликованной на сервере препринтов ArXiv, говорится, что ученые наблюдали фотоны, демонстрирующие странное временное поведение в результате так называемого возбуждения атомов. Напомним, что термин «возбуждение» в физике объясняет переход частицы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.

Если говорить несколько проще, то физики обнаружили, что фотоны физически выходят из среды до того, как войдут в нее. Это кажется парадоксальным, однако эффекты явления объясняются особенностями квантовой механики. Таким образом, международная исследовательская группа экспериментально доказала удивительный феномен: фотон, проходя через облако атомов, проводит там «отрицательное время».

Физики впервые измерили отрицательное время пребывания фотона в облаке атомов. Изображение: newscientist.com

Чтобы разобраться в результатах исследования, отметим, что когда свет проходит через материал, он в большинстве случаев задерживается там на некоторое время – это явление физики называют положительной «групповой задержкой». Считается, что она связана с тем, сколько времени фотон проводит в возбужденном состоянии внутри атомов материала.

Однако в некоторых случаях, особенно когда частота света близка к резонансной частоте атомов, групповая задержка может стать отрицательной. Это означает, что пик выходящего импульса света появляется раньше, чем без среды, что, однако, не подразумевает нарушение причинно-следственных связей или путешествие во времени.

Само явление связано с квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды и долгое время считалось парадоксальным, вызывая немало споров в академическом сообществе.

Как проходил эксперимент?

В рамках эксперимента команда применила перекрестный эффект Керра – он связан с нелинейным взаимодействием между двумя световыми полями в среде, где одно поле влияет на показатель преломления для другого – для измерения степени возбуждения атомов, вызванного проходящим фотоном.

Физики использовали два лазерных луча: «сигнальный луч» — слабые когерентные импульсы света с малым средним числом фотонов, и «зондирующий луч» – слабый и смещенный по частоте. Такой подход позволяет ученым проводить статистический анализ.

Когда сигнальный пучок фотонов проходил через облако атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, то на короткое время возбуждал атомы, позволяя измерить фазовый сдвиг и определить сколько времени фотоны «провели» в атомах.

Фотон задерживается в облаке ульрахолодных атомов рубидия на «отрицательное время». Изображение: newscientist.com

Результаты эксперимента показали, что среднее время возбуждения атомов для проходящего пучка фотонов может быть отрицательным. Это означает, что эффект взаимодействия фотонов с атомами приводит к сокращению времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии (по сравнению с отсутствием взаимодействия).

Отрицательная временная задержка фотонов в атомной среде может показаться парадоксальной, но это означает, что если создать «квантовые» часы для измерения времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных условиях будет двигаться назад, а не вперед», — объясняет Джозайя Синклер из Университета Торонто, который не принимал участие в исследовании.

Авторы нового исследования также провели эксперименты с различными длительностями импульсов и оптическими плотностями облака и обнаружили, что среднее время возбуждения атомов, вызванное переданным пучком фотонов, соответствует групповой задержке.

Квантовые эффекты

Новое открытие имеет важное значение для фундаментальной физики. Дело в том, что отрицательное время пребывания фотонов в атомах бросает вызов традиционным представлениям о причинно-следственных связях и может привести к пересмотру некоторых аспектов квантовой оптики и теории распространения волн в средах с аномальной дисперсией.

Важно отметить, что физические законы не нарушаются: отрицательная групповая задержка обусловлена квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды, а не реальным ускорением фотонов. Однако суперпозиция и квантовые эффекты играют ключевую роль в понимании наблюдаемого явления.

Странный новый квантовый эксперимент чем-то похож на путешествие во времени. Изображение: scientificamerican.com

Напомним, что в состоянии суперпозиции квантовые частицы, такие как фотоны, могут находиться в двух разных состояниях одновременно. Для детектора, измеряющего время входа и выхода фотонов из среды, это означает, что фотоны могут давать как положительные, так и отрицательные значения времени, что и приводит к понятию «отрицательного» времени.

Почему это важно?

Полученные в рамках исследования результаты показали, что отрицательные значения времени (такие как групповая задержка), имеют более глубокий физический смысл, чем считалось ранее, что может привести к прорыву в области квантовых технологий, в основе работы которых лежит взаимодействие света и материи.

Авторы отметили, что их поразило отсутствие единого мнения среди экспертов о том, что происходит с отдельным фотоном во время задержки.

Эффект отрицательного времени может найти применение в области высокоскоростной оптики. Изображение: ixbt.site

Таким образом, наблюдаемое отрицательное время пучка фотонов, проходящего через облако ультрахолодных атомов, не меняет нашего привычного понимания времени, однако открытие само по себе удивительно, а будущие исследования в этой области могут привести к созданию новых технологий.