От дълго време физиците изследват начина, по който светлината взаимодейства с материята. В центъра на това изследване стоят фотоните - частиците, които носят светлината, докато преминават през различни материали.
При пътуването си през вещества фотоните не се движат просто направо, а атомите в материалите ги абсорбират и впоследствие ги преизлъчват. През този кратък момент атомите преминават в състояния с по-висока енергия, преди да се върнат към нормалното си състояние. Разбирането на тези взаимодействия проправя пътя към авангардни технологии като квантовата памет и оптика.
Съвсем наскоро експеримент разбива традиционните представи, въвеждайки концепцията за "отрицателно време". Тази интригуваща идея се появява в резултат на наблюдения, направени при взаимодействия на фотони в определени прозрачни материали. Екипът установява, че фотоните биват абсорбирани и преизлъчвани за толкова кратки интервали, че времето, необходимо за това, изглежда по-малко от нула - и така възниква терминът "отрицателно време".
Проучването, ръководено от професор Ефраим Стайнберг (Aephraim Steinberg) от Университета в Торонто, предизвиква разгорещени дебати. Въпреки че откритията очакват рецензия, Стайнберг подчертава тяхната значимост. Той описва работата като съществена за разгадаването на странностите в квантовите системи, но получава противоречиви реакции.
Схеми на експерименталната постановка. (а) Схема на атомно ниво. (b) Концептуална диаграма на експерименталния апарат: резонансен импулсен лъч (сигнал) и нерезонансен непрекъснат вълнов лъч (сонда) се разпространяват насрещно през облак от студени 85Rb атоми, открити от противоположните страни на апарата. Кредит: arXiv
В традиционните теории винаги се приема, че фотоните следват праволинеен времеви ход на абсорбция и отново излъчване. Но екипът на Стайнберг наблюдава събития, които изглежда се случват обратно на очакваното, поставяйки под съмнение установените разбирания за времето в квантовата механика.
Квантова механика и концепцията за отрицателно време
За да се опрости тази объркваща концепция, представете си коли, влизащи в тунел. Ако хиляда коли влязат около обяд, естествено бихте очаквали те да излязат след това. Изненадващо обаче, някои коли изглежда излизат малко преди обяд, например в 11:59 ч. Този сценарий е аналогичен на откритията на учените за фотоните и отрицателното време.
Преди това учените отхвърлят подобни странни времеви отклонения като грешки в измерването. Но сега Стайнберг и неговите колеги настояват, че тези резултати са реални квантови явления. Те предполагат, че тези необичайни времеви стойности възникват естествено във вероятностния свят на квантовата механика.
Техните смели твърдения предизвикват физиците да преосмислят фундаменталните концепции за времето и енергията. Това подчертава колко загадки и изненади продължава да крие квантовата механика.
Даниела Ангуло (Daniela Angulo), водещ изследовател в екипа, играе ключова роля в измерването на времето, което атомите прекарват в своите възбудени състояния. С помощта на внимателно калибрирани лазери в лаборатория, пълна с жици и обвити в алуминий устройства, екипът оптимизира експерименталната си установка в продължение на две години.
"Това време се оказва отрицателно", обяснява Стайнберг. Това откритие има дълбоки последици за разбирането на поведението на фотоните в дисперсионни среди.
Отрицателно време и групово закъснение
Груповото закъснение, ключова концепция при взаимодействието на светлината с материята, се отнася до времето, което един фотон сякаш прекарва в преминаване през дадена среда. Това закъснение се влияе от оптичната плътност на средата и спектралните свойства на светлинния импулс.
Екипът на Стайнберг използва теорията на квантовите траектории и формализма на слаби измервания, за да изследва как фотоните взаимодействат с атомите и прекарват време като възбудени състояния на атомите.
Техните изчисления разкриват, че времето, което фотонът прекарва като възбудено атомно състояние, съвпада с груповото закъснение, дори когато това закъснение става отрицателно. В класически смисъл такова закъснение би било невъзможно. Въпреки това, квантовата механика допуска тези аномални резултати, които са дълбоко свързани с вероятностния характер на частиците.
Тези изводи се потвърждават експериментално чрез наблюдение на нелинейно фазово отместване, отпечатан върху пробен лъч, което съвпада с предвижданията при различни оптични параметри.
Стайнберг сравнява това отместване на фазите с π-фазовия преход, който се случва, когато широколентов импулс преминава през оптически плътна среда. Това явление подчертава сложното взаимодействие между квантовата кохерентност и свойствата на материалите, поставяйки под съмнение традиционните предположения за разпространението на светлината.
Квантовата кохерентност се отнася до фазовите връзки между тези вълни - тези, които заедно описват целия обект. Когато тези вълни се намесват по съгласувани начини, това води до квантова суперпозиция, централна характеристика на квантовата механика, която позволява на даден обект да съществува в множество състояния едновременно.
Изследването на екипа от Торонто подчертава сложното поведение на фотоните и атомите в квантовите системи. Предишни експерименти на същия екип показват, че предаваните фотони прекарват почти толкова време във възбудено атомно състояние, колкото и разсеяните фотони. Тези резултати предполагат, че значителна част от възбудените атоми допринасят за кохерентно предно излъчване — заключение, подкрепено от теоретични модели.
В последното си изследване учените разширяват тези прозрения, демонстрирайки, че отрицателните групови закъснения не са просто математически куриози, а наблюдаеми явления. Освен това, експериментите им показват, че фотоните не носят информация в този процес, запазвайки целостта на теорията на относителността на Айнщайн. Това гарантира, че не се нарушават фундаментални физични закони, като космическата граница на скоростта.
Стайнберг подчертава, че концепцията за "отрицателно време" не означава пътуване назад във времето.
"Не искаме да кажем, че нещо се движи назад във времето", уточнява Стайнберг .
Вместо това, тези резултати разкриват сложната и понякога контраинтуитивна динамика на квантовите системи, където частиците не следват фиксирани времеви линии, а функционират в спектър от възможни поведения.
По-широки последици и скептицизъм
Въпреки че констатациите привличат глобалното внимание, те се сблъскват и със скептицизъм. Германският теоретичен физик Сабине Хосенфелдер (Sabine Hossenfelder) критикува тълкуването на "отрицателно време" в станало вече много популярно видео в YouTube. Тя твърди, че този термин представя погрешно това, което експериментите разкриват за поведението на фотоните и фазовите отмествания в дадена среда.
"Отрицателното време в този експеримент няма нищо общо с потока на времето", заявява Хосенфелдер. "Това е просто начин да се опише как фотоните пътуват през среда и как техните фази се изместват."
Ангуло и Стайнберг обаче твърдят, че работата им се занимава с критични пропуски в разбирането на взаимодействието на светлината с материята. Те твърдят, че отрицателните групови закъснения предоставят нови прозрения за поведението на светлината в диспергиращите среди, което може да има широкообхватни последици за квантовата оптика и фотонните технологии.
Изследователите защитават избора си на терминология, признавайки, че изборът им провокира дебат, но също така стимулира и по-задълбочени дискусии за природата на квантовите явления.
"Ние направихме своя избор, защото според нас това е плодотворен начин да опишем резултатите си", казва Стайнберг.
Той отбелязва, че докато практическите приложения остават спекулативни, техните открития полагат основата за изследване на нови аспекти на квантовата физика.
Докато дебатът около "отрицателното време" продължава, работата на екипа от Торонто, макар и в ранна фаза, отваря нови хоризонти за изучаване на взаимодействията между светлината и материята и ролята на груповите закъснения в квантовите системи.
Справка: Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud; Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon, Andy Jiao, Howard M. Wiseman, Aephraim M. Steinberg; https://arxiv.org/abs/2409.03680
Източник: Scientists observe negative time for the first time ever, The Brighter Side of News
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици
dolivo
Учени възпроизвеждат сияйното египетско синьо, озарявало гробниците на фараоните
dolivo
Революция в залесяването: Японски дронове с изкуствен интелект засаждат дръвчета 10 пъти по-бързо от хората
alabal
Най-старото живо същество на Земята: вид на 700 млн. години, който променя разбирането за еволюцията