Vědci potvrdili existenci ‚záporného času‘: Fotony opouštějí mrak dříve, než do něj vstoupí

Fyzici v laboratoři potvrdili existenci jevu, který nazývají „záporný čas“. Jde o situaci, kdy se foton zdánlivě objeví na výstupu z atomového mraku dříve, než do něj vstoupí.

Vědci v laboratoři změřili jev, který nazývají „záporný čas setrvání“. V experimentu s fotony – kvantovými částicemi světla – a mrakem atomů rubidia se ukázalo, že fotony mohou opustit mrak dříve, než do něj v průměru vstoupí. Tento paradoxní výsledek, ačkoliv je plně v souladu se standardní fyzikou, otevírá nové pohledy na kvantové interakce.

Experiment spočíval v pozorování fotonů, které se snažily projít mrakem atomů rubidia. Tyto atomy mají „rezonanci“ s fotony, což znamená, že energie fotonu může být dočasně přenesena na atomy jako atomové excitace. Foton tak může po určitou dobu „přebývat“ v atomovém mraku, než je znovu uvolněn. Aby byla tato rezonance účinná, musí mít foton přesně definovanou energii. Podle Heisenbergova principu neurčitosti to však znamená, že jeho časování je nejisté a puls světla, který foton zaujímá, musí mít dlouhé trvání.

Pokud takový foton projde mrakem, nejčastěji se rozptýlí. Pokud se mu však podaří projít přímo, stane se něco zvláštního. Na základě průměrného času vstupu fotonu do mraku lze vypočítat očekávaný průměrný čas jeho příchodu na druhou stranu, za předpokladu, že se pohybuje rychlostí světla. Vědci zjistili, že foton ve skutečnosti dorazí mnohem dříve, než se očekávalo. Zdá se, že strávil záporné množství času uvnitř mraku – v průměru opustil mrak dříve, než do něj vstoupil. Tento jev je známý po desetiletí a byl pozorován již v roce 1993, ale fyzici jej většinou nepovažovali za vážný, vysvětlujíce ho jako artefakt, kdy mrakem projde pouze přední část dlouhotrvajícího pulsu.

Tým Aephraima Steinberga z Torontské univerzity však chtěl zjistit, co se stane, když se atomy rubidia v mraku přímo dotážou na dobu, po kterou v nich foton přebýval jako excitace. K tomu použili metodu „slabého měření“, která minimalizuje narušení kvantového systému. Místo přesného měření, které by zničilo studovaný jev (kvantový Zeno efekt), použili velmi nepřesné, ale přesně kalibrované měření pomocí slabého laserového paprsku. Po milionech opakování experimentu se ukázalo, že výsledek tohoto slabého měření doby setrvání přesně odpovídá zápornému času, který byl odvozen z průměrné doby příchodu fotonů. Před touto prací nikdo netušil, že se tyto dvě, zcela odlišně měřené doby, budou rovnat.

Tento objev je významný, protože záporná hodnota slabě měřené doby setrvání nemůže být vysvětlena pouhým průchodem přední části pulsu, na rozdíl od času odvozeného z doby příchodu. Ačkoliv to neznamená, že jsou na obzoru stroje času, experiment jasně ukazuje, že záporný čas setrvání není pouhým artefaktem. Má přímo měřitelný dopad na atomový mrak, kterým foton prochází. Tento výzkum připomíná, že kvantový svět je stále plný neobjevených jevů a že naše chápání vesmíru se neustále vyvíjí.