Фотоны могут путешествовать в прошлое

Лично для меня вся эта квантовая физика кажется самой настоящей магией. Например, свет — это одновременно, и частица, и волна. Кроме того, квантовые физики говорят, что парные частицы не теряют связь, если даже будут находиться на разных концах Вселенной. В мою голову такое просто не укладывается, но тем не менее это существует.


А недавно исследователи из университета Торонто (Канада) под руководством Даниэлы Ангуло выявили еще более поразительный эффект. Оказалось, фотоны могут так быстро проходить через облако охлажденных атомов, что кажется, будто они вышли из облака раньше, чем туда вошли. Это как если бы фотоны умели совершать путешествия во времени.

Когда возбуждаются атомы

— физик Эфраим Штейнберг, университет Торонто.



Идея провести поразительный опыт возникла у ученого еще в 2017 году. Штейнберг и его тогдашний напарник по лаборатории, кандидат наук Джосайя Синклер неожиданно задумались над тем, как свет мог бы влиять на атомы. В частности, физиков заинтересовало явление, которое в науке называется атомным возбуждением.

Когда фотоны проходят через какую-нибудь среду, то она поглощает частицы света. При этом фотоны могут возбуждать электроны атомов. Получая энергию, электроны перескакивают на более высокий уровень. Когда же эти субатомные частицы возвращаются в свое привычное состояние, то они высвобождают дополнительную энергию в виде новых фотонов. В результате этого свет немного задерживается в среде, через которую проходил.

Синклер и Штейберг захотели измерить эту временную задержку, насколько долго свет задерживается при прохождении через облако атомов. Их интересовало поведение фотонов: были ли они рассеяны и поглощены внутри атомного облака, или же свет прошел через препятствие, не взаимодействуя с тамошними атомами.

Позже Синклер признавался, что в тот момент никто точно не знал, как на самом деле это происходит. У всех были собственные догадки, а единое мнение среди экспертов отсутствовало.

Кроме того, природа этих задержек многим казалась настолько противоречивой и странной, что большинство физиков старались не упоминать это явление, когда описывались какие-то свойства, которые могли быть связаны с поведением света.

Все стало еще более странно

Три года у ученых ушло на создание в лаборатории прибора для проверки данной теории. В ходе экспериментов Синклер и Штейнберг пропускали фотоны через облако ультрахолодных атомов рубидия. Затем измерялась степень возбуждения атомов в результате прохода света.



И тут вдруг выяснились две крайне неожиданные вещи. Во-первых, порой фотоны проходили через облако целыми и невредимыми, а атомы рубидия при этом все равно возбуждались. Причем как раз на то время, пока свет проходил через атомарное облако. Создавалось впечатление, что атомы все-таки поглотили фотоны.

Во-вторых, и это было еще более странным, свет, который поглощался атомами, излучался назад намного быстрее, чем это ожидали исследователи.

Чтобы дать логичное объяснение происходящему, дуэт ученых привлек к сотрудничеству известного физика-теоретика, специалиста по квантовой физике, Говарда Уайзмана из университета Гриффита (Австралия). Оказалось, что время, в течение которого передаваемые фотоны находились в перевозбужденном состоянии, идеально совпадало с ожидаемой временной задержкой. Причем эта теория работала даже в тех случаях, когда казалось, что фотоны переизлучались раньше, чем ослабевало возбуждение атомов.

Чтобы понять, насколько это абсурдно, представьте, что фотоны — это нечеткие квантовые объекты. Поглощение и переизлучение конкретного фотона атомом может не происходить в строго определенное время. Скорее, это происходит в неопределенный период. Эксперименты команды показали, что время перехода фотона может быть либо мгновенным, либо, как ни странно, отрицательным, когда фотон уже прошел, а атом еще не закончил возбуждение.

Время идет назад

Теперь ученые под руководством Даниэлы Ангуло решили проверить, как фотоны «путешествуют во времени». Чтобы лучше понять этот эксперимент, представьте два способа прохождения фотона. В первом случае фотон как будто не замечает атома и просто пролетает мимо. Во втором он взаимодействует с атомом, отдавая ему энергию, и потом снова высвобождается.




— Штейнберг.

В эксперименте Ангуло и ее команды обнаружилось, что фотоны двигались быстрее через среду, если они взаимодействовали с атомами и возбуждали их. Когда атомы оставались неизменными, фотоны двигались медленнее. Важно заметить, что фотоны в этом случае не передают информацию, поэтому это не нарушает закон «ничто не может двигаться быстрее света», согласно теории относительности Эйнштейна.


— Синклер.

Хотя это явление поразительно, оно никак не влияет на наше понимание самого времени. Но оно лишний раз иллюстрирует, что квантовый мир все еще таит в себе сюрпризы.