Negatív idő bizonyítéka a kvantumfizikában
A Torontói Egyetem tudósai meglepő felfedezést tettek a kvantumfizika területén, amely alapjaiban kérdőjelezi meg az idő hagyományos értelmezését. Egy fotonokat és atomok gerjesztését vizsgáló kísérlet során a kutatók megfigyelték, amit „negatív időnek” neveztek. A kísérlet során a fotonok úgy tűntek, mintha egy ultrahideg atomfelhőből hamarabb távoztak volna, mint ahogy beléptek volna.
Ez a felfedezés kihívást jelent a kvantumfizikában eddig elfogadott időfogalommal szemben. Az erről szóló tanulmányt a kutatók lektorálásra nyújtották be, amit a The Independent tudósított.
A kvantumkísérlet részletei
A Torontói Egyetemhez tartozó Trinity College kutatói ultrahideg atomfelhőn keresztül lőttek fotonokat, hogy tanulmányozzák az atomok gerjesztési folyamatát. Normális esetben, amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek az atomokkal, egy időeltolódás (group delay) figyelhető meg, mivel a fotonok egy kis késleltetéssel hagyják el az anyagot. Azonban a kutatók, hét évnyi foton viselkedésének vizsgálata után, rendkívüli eredményekre bukkantak:
- Néhány foton látszólag már azelőtt elhagyta az atomfelhőt, mielőtt a gerjesztési folyamat befejeződött volna.
- A fotonok áthaladási idejét negatív értéken mérték.
- Ez az eredmény azt az illúziót keltette, hogy a fotonok az anyag elhagyása előtt érkeztek volna meg.
Ez a megfigyelés alapvetően kérdőjelezi meg az idővel kapcsolatos kvantuminterakciók jelenlegi értelmezését, és új, izgalmas kérdéseket vet fel az idő természetével kapcsolatban a kvantumskálán.
A fotonok váratlan viselkedése
A kísérlet során a fotonok szokatlan viselkedése olyan felfedezésekhez vezetett, amelyek alapvetően eltérnek a hagyományos kvantuminterakcióktól. A főbb megfigyelések közé tartozik:
- A fotonok még azelőtt hagyták el az atomfelhőt, hogy az atomok teljes mértékben gerjesztődtek volna, ami negatív áthaladási időket eredményezett.
- Néhány foton úgy haladt át az atomfelhőn, hogy nem lépett kölcsönhatásba, mégis az atomok gerjesztődtek.
- A fotonok elnyelődése után szinte azonnal újra kibocsátásra kerültek.
Howard Wiseman elméleti fizikus szerint a fotonok elnyelődése és kibocsátása valószínűségi modelleket követ. Egyes esetekben ez a valószínűségi viselkedés „negatív” időkeretet eredményezhet a foton-atom kölcsönhatásokban. Ez azt is sugallja, hogy a kvantumrészecskék egyszerre több állapotban is létezhetnek, amelyek során különböző kimeneteleket tapasztalnak. Még a mérőeszköz is szuperpozícióba kerülhet, amely egyidejűleg nulla és pozitív értéket is rögzíthet az interakciós idők mérésénél. Ez a kvantumszuperpozíció néha negatív értékként nyilvánul meg az gerjesztési idő mérésénél, kiemelve a kvantummechanika ellentmondásos természetét.
A negatív idő értelmezése
Bár a „negatív idő” fogalma kihívást jelent az idő intuitív felfogásával szemben, nem jelenti azt, hogy az idő valójában visszafelé haladna vagy paradoxonok jönnének létre. Inkább a kvantummérések sajátos természetére és a valószínűségi kimeneteleire világít rá. A negatív idő késleltetés azt sugallja, hogy egy hipotetikus „kvantumóra”, amely az atomok gerjesztését mérné, bizonyos körülmények között visszafelé haladna.
Ez a jelenség a kvantuminterakciók valószínűségi természetéből fakad, ahol a fotonok és az atomok szuperpozícióban létezhetnek, azaz egyszerre több állapotban is jelen vannak. Az észlelt negatív értékek a kvantummérések értelmezésének következményei, nem pedig az idő alapvető megfordulását jelentik. Ezek az eredmények rávilágítanak arra, hogy a klasszikus időfogalom korlátolt alkalmazhatósága a kvantumrendszerekre, és új keretekre van szükség az idő viselkedésének megértéséhez a kvantumszinten.
Bár ezek az eredmények nem változtatják meg az időről alkotott makroszkopikus felfogásunkat, új lehetőségeket nyitnak meg az idő természetének kutatásában a kvantummechanikában. Továbbá, finomított értelmezéseket tehetnek lehetővé a kvantumoptikai kísérletek terén is.
A kutatás állása és a tudományos közösség reakciói
A „negatív idő” kvantumfizikai jelenségét vizsgáló tanulmány „Kísérleti bizonyíték arra, hogy egy foton negatív időt tölthet egy atomfelhőben” címmel jelenleg lektorálás alatt áll. Annak ellenére, hogy a kutatás egyelőre előzetes státuszban van, a tudományos közösség érdeklődése és meglepetése egyértelmű.
Aephraim Steinberg, a kísérletben részt vevő kísérleti kvantumfizikus, közösségi médiában osztotta meg, hogy az eredmények első látásra „őrültnek” tűnhetnek. Josiah Sinclair, a Torontói Egyetem másik kutatója, kifejezte, hogy a csapat „teljesen meglepődött” a felfedezéseiken. A tudományos közösség óvatosan lelkes, elismerve, hogy lektorálásra és a kísérletek megismétlésére van szükség az ilyen rendkívüli állítások megerősítéséhez.
Bár a felfedezés lenyűgöző, egyes szakértők hangsúlyozzák, hogy ezek az eredmények nem változtatják meg alapvetően az időről alkotott makroszkopikus elképzeléseinket, de felhívják a figyelmet arra, hogy új keretekre van szükség a kvantum időbeli viselkedésének értelmezéséhez.