Як говорить Гомер, Одисей здійснив епічну подорож з Трої до свого дому в Ітаці. Він відвідав багато земель, але переважно жив з німфою Каліпсо на її острові.

Можна уявити, що його дружина Пенелопа запитала б його про цей особливий час. Одисей міг би відповісти: "Це нічого. Насправді, це було менше ніж нічого. Негативні п'ять років я жив з Каліпсо. Як інакше я міг би повернутися додому за лише десять років? Якщо ти мені не віриш, запитай її".

Виявляється, квантові частинки такі ж хитрі, як і Одисей, як показано в експерименті, опублікованому в Physical Review Letters.

Не лише час їх прибуття може свідчити про те, що вони перебували з іншими частинками негативний час, але якщо запитати ці інші частинки, вони підтвердять цю історію.

Фотони, що перебувають з атомами

Наш експеримент використовував фотони – квантові частинки світла – і їхню подорож через хмару атомів рубідію.

Ці атоми мають "резонанс" з фотонами, що означає, що енергія фотона може тимчасово передаватися атомам як атомна збудженість. Це дозволяє фотону "перебувати" в атомній хмарі деякий час, перш ніж бути випущеним.

Для того, щоб цей резонанс був ефективним, фотон повинен мати чітко визначену енергію, що відповідає енергії, необхідній для збудження атома рубідію.

Але, згідно з відомим принципом невизначеності Гейзенберга, якщо енергія фотона чітко визначена, тоді його час буде невизначеним: імпульс світла, який займає фотон, повинен мати тривалу тривалість. Це означає, що ми не можемо знати точно, коли фотон входить у хмару, але можемо знати в середньому, коли він входить.

Якщо фотон, подібний до цього, запустити в хмару, найімовірніший результат – це те, що його енергія буде передана атомам, а потім повторно випромінюється як фотон, що рухається в випадковому напрямку. У таких випадках фотон розсіюється і не досягає свого Ітаки.

Час прибуття фотонів

Але якщо фотон проходить прямо через хмару, відбувається дивна річ.

На основі середнього часу, коли фотон входить у хмару, можна розрахувати очікуваний середній час, коли він прибуде на інший бік хмари, припускаючи, що він рухається зі швидкістю світла (як зазвичай роблять фотони).

Виявляється, що фотон насправді прибуває набагато раніше, ніж це. Насправді, він прибуває так рано, що здається, ніби він провів негативну кількість часу всередині хмари – виходить, в середньому, раніше, ніж увійшов.

Цей ефект відомий вже десятиліттями і був спостережений у експерименті 1993 року. Але фізики переважно вирішили не сприймати цей негативний час серйозно.

Це можна пояснити тим, що лише передня частина тривалої імпульсної хвилі проходить прямо через атомну хмару, тоді як решта розсіюється. Це призводить до того, що успішний (не розсіяний) фотон прибуває раніше, ніж можна було б наївно очікувати.

Запитуючи атоми

Однак Аефраїм Штайнберг, один з авторів тієї статті 1993 року, не так швидко прийняв це відкидання негативного часу як артефакт.

У своїй лабораторії в Університеті Торонто він хотів дізнатися, що станеться, якщо запитати атоми рубідію в хмарі, скільки часу фотон провів, перебуваючи серед них як збудження.

Після початкового експерименту з невизначеними результатами, він попросив мене, як квантового теоретика, допомогти в розрахунках, що очікувати.

Коли ми говоримо про запитування атомів, це на практиці означає безперервне вимірювання атомів під час проходження фотона через хмару, щоб перевірити, чи енергія фотона в даний момент перебуває там.

Але тут є нюанс: вимірювання в квантовій фізиці неминуче порушують систему, що вимірюється.

Якщо ми зробимо точне вимірювання того, чи фотон перебуває в атомах, в кожен момент часу, ми завадимо атомам взаємодіяти з фотоном.

Це якби, просто спостерігаючи за Каліпсо уважно, ми зупинили її від того, щоб дістати Одисея (або навпаки). Це відомий квантовий ефект Зенона, який знищить саме явище, яке ми хочемо вивчити.

Наш експеримент

Рішення полягає в тому, щоб зробити, натомість, дуже неточне (але все ще дуже точно відкаліброване) вимірювання. Це ціна, яку потрібно заплатити, щоб зберегти порушення незначним.

Конкретно, ми запустили слабкий лазерний промінь – не пов'язаний з імпульсом одного фотона – через хмару атомів і виміряли невеликі зміни в фазі світла променя, щоб перевірити, чи атоми були збуджені.

Будь-який окремий запуск експерименту дає лише дуже грубе уявлення про те, чи фотон перебував в атомах, але середнє значення мільйонів запусків дає точний час перебування.

Дивовижно, що результат цього слабкого вимірювання часу перебування, коли фотон проходить прямо через хмару, точно дорівнює негативному часу, запропонованому середнім часом прибуття фотонів.

До нашої роботи ніхто не підозрював, що ці два часи, виміряні зовсім різними способами, будуть рівні.

Критично, негативне значення слабко виміряного часу перебування не може бути пояснене уявленням про те, що лише передня частина імпульсу фотона проходить, на відміну від часу, що виводиться з прибуття.

Отже, що це все означає? Чи є машина часу вже на горизонті?

На жаль, ні. Наш експеримент повністю пояснюється стандартною фізикою.

Але він показує, що негативний час перебування не є артефактом. Яким би парадоксальним це не здавалося, він має безпосередній вимірювальний ефект на атомну хмару, яку проходить фотон.

І це нагадує нам, що ще є землі для відкриттів в одіссеї, яка є квантовими дослідженнями.