Может ли время быть отрицательным? Ученые, занимающиеся такой интуитивно непонятной областью науки, как квантовая механика, утверждают, что да. По крайней мере, для фотонов в их лабораториях.
Квантовые эффекты и фотоны
Квантовая механика — это область науки, которая изучает мир на уровне отдельных атомов и элементарных частиц и постоянно сталкивается с ситуациями, противоречащими нашему повседневному опыту. Недавно в журнале Physical Review Letters вышло исследование, в ходе которого было обнаружено отрицательное время.
На самом деле это явление впервые наблюдалось еще в 1993 году. Для этого необходим источник фотонов (квантовых частиц света) и несколько атомов рубидия. Да и еще экран для регистрации времени прибытия этих фотонов после прохождения через эти атомы.
Когда фотон попадает в скопление атомов, он может пройти сквозь него насквозь или вступить во взаимодействие с частицами, приведя их в возбужденное состояние, и через некоторое время переизлучиться в случайном направлении, не достигнув цели.
Проблема лишь в том, что в отношении этих фотонов действует принцип неопределенности Гейзенберга. Мы можем точно определить, какую именно энергию должен иметь фотон, чтобы возбудить атом рубидия, но тогда излучать частицы света нужно в течение некоторого очень приблизительно определенного времени.
Обратное время
Но ничто не мешает применить статистический подход и просто выпустить много фотонов, чтобы определить время, за которое они в среднем долетят до рубидия, а также время, за которое часть из них долетит до цели с максимальной точностью. Теоретически, если частицы света никак не взаимодействовали с атомами, то они должны двигаться со скоростью света.
Так вот, в эксперименте 1993 года оказалось, что фотоны долетают от атомов рубидия до цели, за время меньше того, которое теоретически им должно было бы на это понадобиться. Как будто они провели там какое-то отрицательное время. Этот результат проверен уже неоднократно, однако физики обнаружили ему объяснение.
Дело в том, что время прибытия к рубидиевому препятствию, а следовательно, и от него до цели, определяется в среднем. А взаимодействовали с атомами преимущественно те фотоны, которые достигли их первыми. Отрицательное время получается несколько виртуальным, но в случае статистических исследований квантового мира таким является почти все.
Новое исследование
Однако один из авторов исследования еще в 1993 году — Эфроим Штернберг — не удовлетворился таким объяснением и решил подойти к проблеме с другой стороны. Возбуждение атомов рубидия также можно измерить и таким образом определить время, в течение которого с ними взаимодействовали фотоны.
Однако здесь на пути снова встают правила квантового мира. Согласно им, точное измерение параметра возможно только путем изменения состояния системы. Таким образом, если мы точно измеряем возбуждение атомов, то одновременно уничтожаем его.
Тем не менее ученые нашли выход. Они использовали очень слабый лазер и одновременно измеряли состояние атомов с невысокой точностью, благодаря чему смогли оценить, как долго фотоны «находились» в атомах рубидия. Оказалось, что это время удивительным образом совпадает по значению с ранее предсказанным отрицательным временем. Следовательно, последнее не является чисто формальной величиной, хотя механизм этого явления до сих пор остается непонятным.
По материалам phys.org
