Jak wiadomo, wehikuł czasu to jedna z tych koncepcji świata fantastyki, które – w odróżnieniu od kosmicznych flot wojennych, pól siłowych czy plazmowych karabinów – uważane są za definitywnie i bezapelacyjnie niewykonalne. Idea przenoszenia się w czasie brzmi fascynująco, ale w oparciu o znane prawa fizyki czas pozostaje wartością skalarną, którą nie sposób manipulować. Jednak w kontekście owych „znanych praw fizyki” sporo do myślenia mogą dawać wyniki niedawnego doświadczenia z zakresu fizyki kwantowej. Które dostarczyły tyleż frapujących, co wprost niesamowitych obserwacji.
Zespół fizyków z Uniwersytetu w Toronto, kierowany przez Danielę Angulo, zmierzył w warunkach laboratoryjnych wartości dla czasu, jaki atomy spędzają w stanie wzbudzonym podczas przepływania przez nie fotonu. W eksperymencie, z którego wnioski właśnie opublikowano, wykorzystali oni chmurę ultrazimnych atomów rubidu-85, wprowadzoną w stan tak niskiej temperatury, by ruch termiczny nie zacierał sygnału.
Aby zmierzyć czas spędzany przez atomy w stanie wzbudzonym, wykorzystano efekt cross-Kerra: sygnałowa wiązka rezonansowa pobudzała atomy do ruchu, podczas gdy oddzielna, próbna, słaba wiązka pozarezonansowa przechodziła przez chmurę w przeciwnym kierunku, niosąc informację o stopniu wzbudzenia poprzez przesunięcie fazy. Pomiar przeprowadzono w reżimie tzw. słabych wartości (weak values), co oznacza postselekcję wyłącznie tych fotonów, które rzeczywiście przeniknęły przez medium bez rozpraszania.
Wyniki tych pomiarów okazały się… interesujące. Fizycy zdołali bowiem zaobserwować zjawisko, w ramach którego fotony przelatujące przez chmurę atomów rubidu mogą opuszczać ją średnio przed wejściem do niej, co sugeruje ujemny czas przebywania w układzie. Wedle pomiarów, że średni czas poruszenia atomu wywołany przez przenikający foton wynosi (−0,82 ± 0,31) τ₀ dla najwęższego impulsu oraz (0,54 ± 0,28) τ₀ dla najszerszego, gdzie τ₀ oznacza naturalny czas życia stanu wzbudzonego atomu rubidu-85.
Czas, by pożegnać się z intuicyjną logiką?
Zjawisko ujemnego opóźnienia grupowego (group delay), choć znane teoretycznie od dziesięcioleci i zaobserwowane już w 1993 roku, po raz pierwszy zostało zmierzone z taką precyzją. Wcześniej opisywano je zazwyczaj jako ciekawostkę matematyczną bez realnego znaczenia fizycznego – której fenomen tłumaczono przesunięciem szczytu impulsu wynikające z selektywnego rozpraszania jego tylnej części. Tym razem fizycy postanowili jednak przyjrzeć się bliżej, jaki faktycznie czas fotony spędzają pośród wzbudzonych atomów.
Jak się okazuje, dla impulsów o wąskim paśmie, skalibrowanego blisko źródeł rezonowania atomowego – gdzie dyspersja jest najsilniejsza (badanie prowadzono bowiem przy różnych głębokościach optycznych medium i dla różnych długości impulsów) – czas ten przyjmuje najbardziej ujemne wartości. Wartości ujemne pojawiają się tutaj, gdy urządzenie pomiarowe znajduje się w superpozycji stanu pomiaru zera i stanu pomiaru małej wartości dodatniej, co w konsekwencji prowadzi do wyniku wyglądającego jak „zero minus coś dodatniego”.
W rozumieniu klasycznej fizyki oznaczałoby to, że foton opuszcza chmurę atomów przed jej przekroczeniem – co oczywiście stanowiłoby paradoks. W realiach fizyki kwantowej natomiast stanowi to dowód, że ujemne opóźnienia grupowe mają głębsze znaczenie fizyczne, niż powszechnie sądzono – odpowiadają one bowiem rzeczywistemu czasowi spędzonemu przez atomy w stanie wzbudzonym, mierzonemu poprzez interakcję z próbką.
Efekt ten nie narusza prawa zachowania zasady przyczynowości, choć z pewnością boleśnie przypomina, że próba intuicyjnego zrozumienia zawodzi przy opisie zjawisk kwantowych.