Όπως μας λέει ο Όμηρος, ο Οδυσσέας έκανε ένα επικό ταξίδι, κόντρα σε κάθε πιθανότητα, από την Τροία μέχρι την πατρίδα του στην Ιθάκη. Πέρασε από πολλά μέρη, αλλά έμεινε κυρίως στο νησί της Καλυψούς.
Μπορούμε να φανταστούμε ότι η Πηνελόπη θα τον ρωτούσε για εκείνη την περίοδο. Και ο Οδυσσέας ίσως να απαντούσε: «Δεν ήταν τίποτα. Στην πραγματικότητα, ήταν λιγότερο κι από το τίποτα. Πέντε χρόνια αρνητικά έμεινα με την Καλυψώ. Αλλιώς πώς θα είχα φτάσει σπίτι σε μόλις δέκα χρόνια; Αν δεν με πιστεύεις, ρώτησέ την».
Όπως αποδεικνύεται, τα κβαντικά σωματίδια είναι εξίσου πανούργα με τον Οδυσσέα, όπως δείξαμε σε πείραμα που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.
Όχι μόνο ο χρόνος άφιξής τους μπορεί να δείχνει ότι έμειναν με άλλα σωματίδια για αρνητικό διάστημα, αλλά αν ρωτήσει κανείς εκείνα τα άλλα σωματίδια, θα επιβεβαιώσουν την ιστορία.
Φωτόνια που «μένουν» με άτομα
Το πείραμά μας χρησιμοποίησε φωτόνια — κβαντικά σωματίδια του φωτός — και το ταξίδι κόντρα στις πιθανότητες που πρέπει να κάνουν για να περάσουν ευθεία μέσα από ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου.
Αυτά τα άτομα έχουν «συντονισμό» με τα φωτόνια, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτονίου μπορεί να μεταφερθεί προσωρινά στα άτομα ως ατομική διέγερση. Έτσι, το φωτόνιο μπορεί να «παραμείνει» μέσα στο ατομικό νέφος για λίγο πριν απελευθερωθεί.
Για να είναι αποτελεσματικός αυτός ο συντονισμός, το φωτόνιο πρέπει να έχει σαφώς ορισμένη ενέργεια, που να ταιριάζει με την ενέργεια που απαιτείται για να περάσει ένα άτομο ρουβιδίου σε διεγερμένη κατάσταση.
Όμως, σύμφωνα με μια μορφή της διάσημης αρχής αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, αν η ενέργεια του φωτονίου είναι καλά καθορισμένη, τότε η χρονική του στιγμή πρέπει να είναι αβέβαιη: ο παλμός φωτός στον οποίο ανήκει το φωτόνιο πρέπει να έχει μεγάλη διάρκεια. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να ξέρουμε ακριβώς πότε μπαίνει στο νέφος, αλλά μπορούμε να ξέρουμε κατά μέσο όρο πότε μπαίνει.
Αν ένα τέτοιο φωτόνιο σταλεί μέσα στο νέφος, το πιο πιθανό είναι ότι η ενέργειά του θα μεταφερθεί στα άτομα και έπειτα θα επανεκπεμφθεί ως φωτόνιο που κινείται σε τυχαία κατεύθυνση. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το φωτόνιο σκεδάζεται και δεν φτάνει στην Ιθάκη του.
Χρόνοι άφιξης φωτονίων
Αν όμως το φωτόνιο καταφέρει να περάσει ευθεία, συμβαίνει κάτι παράξενο.
Με βάση τον μέσο χρόνο κατά τον οποίο το φωτόνιο μπαίνει στο νέφος, μπορεί κανείς να υπολογίσει τον αναμενόμενο μέσο χρόνο άφιξης στην άλλη πλευρά του νέφους, αν υποτεθεί ότι κινείται με την ταχύτητα του φωτός, όπως συνήθως τα φωτόνια.
Αυτό που διαπιστώνεται είναι ότι το φωτόνιο φτάνει στην πραγματικότητα πολύ νωρίτερα από αυτόν τον χρόνο. Μάλιστα, φτάνει τόσο νωρίς, ώστε φαίνεται να έχει περάσει αρνητικό χρόνο μέσα στο νέφος — να έχει βγει, κατά μέσο όρο, πριν καν μπει.
Το φαινόμενο είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες και είχε παρατηρηθεί σε πείραμα του 1993. Όμως οι φυσικοί είχαν σε μεγάλο βαθμό αποφασίσει να μην πάρουν στα σοβαρά αυτόν τον αρνητικό χρόνο.
Ο λόγος είναι ότι μπορεί να εξηγηθεί λέγοντας πως μόνο το πολύ μπροστινό μέρος του παλμού μεγάλης διάρκειας περνά ευθεία μέσα από το ατομικό νέφος, ενώ το υπόλοιπο σκεδάζεται. Έτσι, το επιτυχημένο φωτόνιο που δεν σκεδάζεται φτάνει νωρίτερα από όσο θα περίμενε κανείς με την πρώτη ματιά.
Ωστόσο, ο Aephraim Steinberg, ένας από τους συγγραφείς εκείνης της εργασίας του 1993, δεν έσπευσε να αποδεχτεί αυτή την απόρριψη του αρνητικού χρόνου ως τεχνικό σφάλμα.
Στο εργαστήριό του στο University of Toronto, θέλησε να δει τι θα συνέβαινε αν ρωτούσε τα άτομα ρουβιδίου στο νέφος για το πόσο χρόνο είχε περάσει το φωτόνιο «ζώντας» ανάμεσά τους ως διέγερση.
Μετά από ένα αρχικό πείραμα με ασαφή αποτελέσματα, μου ζήτησε, ως κβαντικό θεωρητικό, βοήθεια για να υπολογίσουμε τι θα έπρεπε να περιμένουμε.
Όταν μιλάμε για «ερώτηση» προς τα άτομα, αυτό στην πράξη σημαίνει ότι κάνουμε συνεχώς μια μέτρηση πάνω στα άτομα ενώ το φωτόνιο περνά μέσα από το νέφος, για να ελέγξουμε αν η ενέργεια του φωτονίου παραμένει εκεί.
Υπάρχει όμως μια λεπτή δυσκολία: οι μετρήσεις στην κβαντική φυσική αναπόφευκτα διαταράσσουν το σύστημα που μετριέται.
Αν κάναμε ακριβή μέτρηση για το αν το φωτόνιο «μένει» στα άτομα, σε κάθε χρονική στιγμή, θα εμποδίζαμε τα άτομα να αλληλεπιδράσουν με το φωτόνιο.
Είναι σαν, μόνο και μόνο επειδή παρακολουθούμε στενά την Καλυψώ, να σταματούσαμε να βάζει χέρι στον Οδυσσέα ή το αντίστροφο. Αυτό είναι το γνωστό κβαντικό φαινόμενο Ζήνωνα, που θα κατέστρεφε ακριβώς το φαινόμενο που θέλουμε να μελετήσουμε.
Η λύση είναι να κάνουμε αντίθετα μια πολύ ανακριβή, αλλά παρ’ όλα αυτά πολύ καλά βαθμονομημένη, μέτρηση. Αυτό είναι το τίμημα για να μείνει η διαταραχή αμελητέα.
Συγκεκριμένα, στείλαμε μια ασθενή δέσμη λέιζερ — άσχετη με τον παλμό του μεμονωμένου φωτονίου — μέσα από το νέφος ατόμων και μετρήσαμε μικρές αλλαγές στη φάση του φωτός της δέσμης, για να ελέγξουμε αν τα άτομα ήταν διεγερμένα.
Κάθε μεμονωμένη εκτέλεση του πειράματος δίνει μόνο μια πολύ χονδρική ένδειξη για το αν το φωτόνιο «έμεινε» στα άτομα, όμως η μέση τιμή από εκατομμύρια επαναλήψεις δίνει ακριβή χρόνο παραμονής.
Το εντυπωσιακό είναι ότι το αποτέλεσμα αυτής της αδύναμης μέτρησης του χρόνου παραμονής, όταν το φωτόνιο περνά ευθεία μέσα από το νέφος, είναι ακριβώς ίσο με τον αρνητικό χρόνο που υπονοεί ο μέσος χρόνος άφιξης των φωτονίων.
Πριν από τη δική μας εργασία, κανείς δεν είχε υποψιαστεί ότι αυτοί οι δύο χρόνοι, μετρούμενοι με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, θα ήταν ίσοι.
Κρίσιμο είναι ότι η αρνητική τιμή του ασθενώς μετρούμενου χρόνου παραμονής δεν μπορεί να εξηγηθεί με την ιδέα ότι μόνο το μπροστινό μέρος του παλμού του φωτονίου περνά, σε αντίθεση με τον χρόνο που προκύπτει από τον χρόνο άφιξης.
Σχετικό: Τα ατομικά ρολόγια ίσως αποκαλύψουν την κρυμμένη κβαντική φύση του χρόνου
Τι σημαίνουν όλα αυτά; Είναι μια χρονομηχανή προ των πυλών;
Δυστυχώς, όχι. Το πείραμά μας εξηγείται πλήρως από τη συνήθη φυσική.
Δείχνει όμως ότι ο αρνητικός χρόνος παραμονής δεν είναι τεχνικό κατάλοιπο. Όσο παράδοξο κι αν ακούγεται, έχει άμεση μετρήσιμη επίδραση στο ατομικό νέφος που διασχίζει το φωτόνιο.
Και μας θυμίζει ότι εξακολουθούν να υπάρχουν τόποι για ανακάλυψη στην Οδύσσεια που λέγεται κβαντική έρευνα.
Howard Wiseman, Διευθυντής, Centre for Quantum Dynamics, Griffith University
Το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation υπό άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
