Физики из Торонто подтвердили существование отрицательного времени в квантовом эксперименте

Фотон вышел из облака атомов раньше, чем вошёл: как такое возможно

Группа исследователей из Университета Торонто заявила, что фотоны, проходящие сквозь облако атомов рубидия, иногда ведут себя так, будто покидают его до того, как попадают внутрь. Разница между входом и выходом — отрицательная величина. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

Звучит как научная фантастика. Но физики настаивают: это не машина времени и не нарушение причинности. Просто квантовый мир устроен сложнее, чем мы привыкли думать.

Атомы рубидия способны поглощать энергию фотона определённой частоты. В этот момент они переходят в возбуждённое состояние. А вот дальше начинается странное.

Частица как будто задерживается в облаке перед тем, как обрести свободу. Но при точном измерении выясняется: фактическое время выхода фотона меньше, чем расчётное время входа. Опережение настолько велико, что разница уходит в минус.

Слабое измерение вместо жёсткого

Согласно принципу неопределённости, частица с точно определённой энергией должна иметь «смазанное» положение во времени. Поэтому момент входа фотона в облако можно вычислить только в среднем. Сравнив это среднее с фактическим моментом выхода, учёные и получили отрицательную величину.

Эффект, кстати, впервые заметили ещё в 1993 году. Но тогда к нему отнеслись скептически. Считалось, что через облако проходит лишь ранний край светового импульса, а остальная часть рассеивается. Мол, никакого отрицательного времени нет — просто артефакт измерений.

Чтобы закрыть вопрос, канадские физики использовали слабый луч лазера. Его пропускали через облако одновременно с фотоном. По изменению фаз луча отслеживали возбуждение атомов. Метод называют «слабым измерением» — он позволяет получить данные, почти не вмешиваясь в процесс.

Эксперимент повторяли много раз. Результат стабильный: отрицательное время, зафиксированное слабым измерением, совпадает с расчётным временем, полученным по среднему моменту прихода фотона. Рассеянием импульса это не объяснить, утверждают авторы.

И вот тут самое интересное. Отрицательное время существует не только в квантовых уравнениях, но и в масштабах классической физики. То есть эффект можно наблюдать, а не только выводить математически.

Правда, до путешествий в прошлое отсюда далеко. Физики подчёркивают: явление не нарушает причинность. Фотон не «возвращается назад» в бытовом смысле. Речь о том, что квантовая система ведёт себя так, что время взаимодействия становится отрицательной величиной.

Практической пользы пока мало. Но для понимания квантовой механики — шаг вперёд. Возможно, через несколько лет эти результаты лягут в основу новых подходов в квантовых вычислениях или оптике. Пока же исследователи продолжают проверять, насколько далеко простирается этот эффект.

«Мы не говорим, что время можно повернуть вспять. Мы говорим, что в квантовом мире время ведёт себя иначе, чем мы привыкли», — пояснили авторы работы.