Podróż w czasie czy kwantowy efekt? Zaskakujący eksperyment

Gdy czas przestaje działać jak zegar

W świecie pojedynczych cząstek światła i atomów czas nie zawsze daje się opisać tak, jak podpowiada nam codzienne doświadczenie. To, co w zwykłej skali wydaje się oczywiste – najpierw wejście, później pobyt, na końcu wyjście – na poziomie kwantowym może przestać być wystarczającym opisem. Co więcej, odpowiedź na pytanie „jak długo trwało dane zdarzenie?” może czasem być mniejsza niż zero.

Taką właśnie odpowiedź uzyskali autorzy eksperymentu opublikowanego w Physical Review Letters. Badacze skierowali pojedyncze cząstki światła, czyli fotony, przez niewielką chmurę bardzo zimnych atomów rubidu. Okazało się, że światło pojawiało się po drugiej stronie obłoku wcześniej, niż powinno. Wyglądało to tak, jakby fotony spędziły w nim ujemną ilość czasu.

Podobne obserwacje były znane już wcześniej. Przez lata wielu fizyków uważało jednak, że to nie „ujemny czas”, lecz efekt tego, że atomy osłabiają część światła przechodzącego przez obłok. Przez to światło docierające na drugą stronę może wyglądać tak, jakby pojawiło się wcześniej.

Nowy numer już jest!

Atomy zdradziły więcej niż światło

Tym razem badacze poszli o krok dalej. Nie sprawdzali wyłącznie, kiedy światło dociera na koniec układu. Obserwowali także, co podczas eksperymentu dzieje się z atomami. Te mogą na bardzo krótko przejść w stan wzbudzenia, przyjmując chwilowo energię od światła.

Pomiar wykonano bardzo delikatnie, aby możliwie najmniej zakłócić zachowanie atomów i fotonów. Po zestawieniu ogromnej liczby prób naukowcy otrzymali ujemną wartość czasu wzbudzenia atomów. Nie był to jednak zwykły czas, który można odczytać z zegarka. Był to szczególny wynik pomiaru kwantowego, dotyczący tylko tych fotonów, które ostatecznie przeszły przez atomowy obłok.

Czy tak wygląda podróż w czasie?

Wcześniej ujemny wynik tłumaczono zmianą kształtu impulsu światła podczas przejścia przez atomowy obłok. Teraz podobny rezultat pojawił się także w mierzalnej reakcji atomów. Nie oznacza to jednak, że foton dosłownie najpierw opuszcza obłok, a dopiero potem do niego wpada. Nie jest to więc podróż w czasie w sensie znanym z filmów.

W mechanice kwantowej nie można zawsze wyobrażać sobie fotonu jak małej kulki poruszającej się po jednej, dokładnie określonej trasie. Ma on także właściwości fali, dlatego zwykły schemat: wejście, pobyt, wyjście, nie zawsze wystarcza do opisu tego, co dzieje się w eksperymencie.

Czy ujemny czas otwiera drogę do podróży w czasie?

Eksperyment nie dowodzi, że można odbyć podróż w czasie albo wysłać wiadomość do przeszłości. Fizycy podkreślają, że wynik w pełni mieści się w ramach standardowej mechaniki kwantowej, a zasada przyczynowości pozostaje nienaruszona.

Najpierw musi nastąpić przyczyna, a dopiero później jej skutek. Najpierw ktoś naciska włącznik, później zapala się światło – nie można zobaczyć zapalonej lampy, zanim ktokolwiek wykona ten ruch. Badany efekt nie pozwala przewidzieć zachowania pojedynczego fotonu, przekazać informacji do wczoraj ani zmienić tego, co już się wydarzyło.

Odkrycie nie otwiera więc drogi do wehikułu czasu. Pokazuje natomiast, że w świecie kwantów nawet tak podstawowe pojęcie jak czas trwania interakcji może przyjmować wartości, które z punktu widzenia codziennego doświadczenia wydają się niemożliwe. Czas, który zwykle traktujemy jak nieprzerwany marsz od przeszłości ku przyszłości, w niektórych procesach kwantowych może wymagać opisu bardziej złożonego, niż podpowiada intuicja.

Przeczytaj również: Kwantowa ucieczka od życia. Nowa metafizyka dla zmęczonych