Содержание
Отрицательное время фотонов больше не живёт только в препринтах: эксперимент Университета Торонто прошёл рецензирование и вышел в Physical Review Letters. В нём фотоны внутри облака холодного рубидия показали отрицательное время атомного возбуждения, но без машины времени и сигналов быстрее света.
Работу вёл физик Эфраим Штайнберг. Первым автором стала Даниэла Ангуло, а теоретическую часть помогал разбирать Говард Уайзман из Griffith University. Результат обсуждали ещё после сентябрьского препринта arXiv 2024 года, но теперь статья прошла нормальный фильтр рецензентов.
Фотоны вышли «раньше входа», но физику не сломали
Суть опыта такая: исследователи отправляли фотоны прямо через облако холодных атомов рубидия и измеряли, сколько времени атомы находились в возбуждённом состоянии. Для прошедших фотонов это время ушло в минус, хотя вся картина укладывается в стандартную квантовую механику.
Когда фотон летит через такую среду, атом может на короткое время его поглотить. Энергия хранится как атомное возбуждение, затем фотон переизлучается дальше. Проблема в том, что прямое измерение квантовой системы её портит. Поэтому команда выбрала более мягкий способ.
Физики пропускали через облако второй слабый лазерный луч. По крошечным фазовым сдвигам в этом луче они отслеживали, возбуждены ли атомы в конкретный момент. Один прогон давал слишком много шума, поэтому итоговую цифру собрали только статистикой.
- Среда: облако холодного рубидия
- Метод: слабый зондирующий лазер и фазовые сдвиги
- Объём данных: около 1 млн прогонов
- Длительность сбора: примерно 70 часов
- Параметры: около семи наборов условий
По данным Physics World, измеренное время возбуждения для прошедших фотонов доходило до -0,82 от базового значения. Базой считали среднее время возбуждения по всем фотонам. Оно лежало в диапазоне 10-20 наносекунд.
Почему старое объяснение больше не работает
У этой истории есть длинный хвост. В 1993 году Штайнберг уже участвовал в эксперименте, где прошедшие фотоны приходили на детектор раньше, чем центр их собственного импульса успевал войти в среду. Тогда эффект связали с групповой задержкой света.
Многие физики относились к отрицательным значениям осторожно. Логика была приземлённая: через среду чаще выживает передний край светового импульса. Из-за этого прошедшие фотоны выглядят так, будто пришли слишком рано.
Новый опыт закрывает эту удобную лазейку. Команда измеряла не только свет на выходе, но и атомы внутри облака. Атомное возбуждение, считанное независимым способом, тоже показало отрицательное значение.
Это не отменяет причинность. Никакой полезный сигнал не уходит быстрее света. И никакой фотон не превращается в маленького путешественника во времени. Мы имеем дело с квантовой величиной, которая при таком способе отбора и усреднения даёт отрицательный результат.
Уайзман сформулировал это максимально прямо в разговоре с Live Science: «Это не значит, что мы на пороге создания машины времени или чего-то подобного». Штайнберг ещё в 2024 году говорил, что не видит прямого пути к практическим применениям.
Следующий тест проверит фотоны, которые не прошли облако
Практического продукта из этого опыта пока не выходит, хотя фотонные системы остаются важными для квантовых вычислений на световых схемах и идей квантового интернета. Ценность работы сейчас в другом: она уточняет, как именно квантовые измерения описывают время взаимодействия света и вещества.
Следующая проверка нацелена на рассеянные фотоны, которые не проходят через облако. Теория предсказывает, что они должны нести дополнительное положительное время возбуждения. Это удержит среднее значение по всему пучку на нуле или выше.
Эту часть эксперимента ещё не измерили. Уайзман прямо указывает на неё как на следующий шаг, а опубликованная в апреле работа Physical Review Letters пока фиксирует результат для прошедших фотонов: минимум -0,82 от базового времени при базе 10-20 наносекунд.
