Фотоны обманывают время: эксперименты, которые удивляют физиков

Эфраим Стайнберг: фотон может проводить отрицательное время в возбужденном атоме

Фотон может проводить "отрицательное время" в возбужденном состоянии атома — явление, которое кажется фантастическим, но реально наблюдается в экспериментах. Международная команда исследователей показала, что квантовая механика способна удивлять даже опытных физиков.

Странный мир квантовой механики

Квантовая механика уже породила множество странных результатов. В 2022 году группа физиков Университета Торонто под руководством Эфраима Стайнберга показала, что фотон, проходя через облако атомов, может проводить в возбужденном состоянии атома отрицательное среднее время, оставаясь при этом измеряемым.

Теоретическая основа

Теоретики из MIT (США), Университета Гриффита (Австралия) и Индийского института науки, образования и исследований вместе с командой Стайнберга разработали модель, подробно описанную в APL Quantum. Они использовали концепцию "слабого зонда" (weak probe), который непрерывно фиксирует наличие атомного возбуждения и позволяет вычислить время, проведённое фотоном в возбужденном состоянии.

Главный теоретик Говард Уайзмен объясняет: отрицательная групповая задержка создаёт иллюзию, что фотон покидает среду до того, как входит в неё. На самом деле измеряется время фотона внутри атома, а не факт возбуждения.

"Теперь мы говорим, что это неверно, и фотоны, прошедшие прямое рассеяние, действительно вносят значительный вклад в среднее измерение", — подчеркнул Говард Уайзмен.

Эта особенность позволяет понять, как фотон взаимодействует с атомами и как это отражается на измерениях.

Экспериментальные измерения

Для проверки теории два лазерных луча направлялись навстречу в облако атомов 85Rb, охлаждённых до 60-70 мкК:

Первый луч — фотоны, вызывающие возбуждение или проходящие без него.
Второй луч — слабые измерения, фиксирующие изменения фазы.

Результаты: среднее время возбуждения от (-0,82 ± 0,31)𝜏₀ для узкополосного импульса до (0,54 ± 0,28)𝜏₀ для широкополосного. Здесь 𝜏₀ - усреднённое время возбуждения рассеянных и переданных фотонов (10-20 наносекунд).

Сравнение эффектов

Эффект	Описание	Применение
Групповая задержка	Время прохождения пика импульса	Оптические линии связи
Отрицательное время возбуждения	Среднее время фотона в возбужденном атоме <0	Квантовые сенсоры и измерения
Контекстуальность	Разные измерения создают впечатление несовместимых свойств	Оптимизация квантовых алгоритмов

Плюсы и минусы

Плюсы	Минусы
Новое понимание квантовых процессов	Требуются сложные экспериментальные установки
Потенциал для квантовых сенсоров	Высокие требования к стабильности лазеров и температуры
Возможность изучения контекстуальности	Эффекты трудно интерпретировать интуитивно
Разработка новых измерительных техник	Ограничения на масштабирование экспериментов

FAQ

Что такое отрицательное время возбуждения?
Среднее время, проведённое фотоном в возбужденном состоянии атома, которое может принимать отрицательные значения в квантовых измерениях.

Можно ли использовать это для путешествий во времени?
Нет. Эффект связан с усреднёнными квантовыми измерениями, а не с реальной ретроградной временной динамикой.

Какие приложения имеют эти результаты?
Квантовые сенсоры, высокоточные измерения взаимодействия света с веществом, квантовые алгоритмы и контекстуальные системы.

Мифы и правда

Миф: "Отрицательное время — это путешествие во времени".
Правда: это среднее время возбуждения фотона, измеряемое в экспериментах.
Миф: "Фотоны не могут проводить отрицательное время".
Правда: результаты экспериментов подтверждают физическую реализацию отрицательных средних значений.
Миф: "Контекстуальность не влияет на измерения".
Правда: она критически важна для правильной интерпретации квантовых эффектов.

Интересные факты

Эффект наблюдается даже при наносекундных импульсах фотонов.
Более 7000 изображений атомных облаков использовались для анализа данных.
Контекстуальность позволяет квантовым системам выполнять задачи эффективнее классических.