Negatív idő bizonyítéka a kvantumfizikában

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.