Σύνοψη
- Ένα νέο πείραμα κβαντικής φυσικής επιβεβαιώνει την ύπαρξη ενός φυσικά μετρήσιμου «αρνητικού χρόνου» κατά τη διέλευση φωτονίων μέσα από ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου.
- Τα φωτόνια καταγράφονται να εξέρχονται από το ατομικό νέφος νωρίτερα από το αναμενόμενο, με τη μέση διάρκεια παραμονής τους στο σύστημα να υπολογίζεται μαθηματικά και πειραματικά ως αρνητική.
- Οι ερευνητές Aephraim Steinberg (University of Toronto) και Howard Wiseman (Griffith University) απέδειξαν μέσω τεχνικών «ασθενούς μέτρησης» ότι η συγκεκριμένη παρατήρηση δεν αποτελεί τεχνούργημα της αρχικής διάταξης αλλά μια πραγματική ιδιότητα του συστήματος.
- Η ανακάλυψη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, προσφέροντας νέα δεδομένα για την κατανόηση της κβαντικής διεμπλοκής.
- Τα ευρήματα διαθέτουν άμεσες προεκτάσεις για την ανάπτυξη προηγμένων κβαντικών δικτύων.
Η κατανόηση του χρόνου στο κβαντικό επίπεδο παραμένει ένα από τα πιο δυσνόητα ζητήματα της σύγχρονης φυσικής, με τους ερευνητές να ανακαλύπτουν διαρκώς συμπεριφορές που αψηφούν την κλασική ανθρώπινη διαίσθηση.
Σύμφωνα με μια νέα μελέτη, μια ερευνητική ομάδα κατάφερε να αποδείξει πειραματικά ότι τα φωτόνια, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, μπορούν να περάσουν έναν αρνητικό χρόνο παραμονής μέσα σε ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου, επιβεβαιώνοντας πως η θεωρητική αυτή έννοια συνιστά μια απολύτως μετρήσιμη φυσική πραγματικότητα και όχι μια παραίσθηση του συστήματος. Η ερευνητική κοινοπραξία, με επικεφαλής τον καθηγητή Aephraim Steinberg από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο και τον Howard Wiseman από το Πανεπιστήμιο Griffith της Αυστραλίας, ολοκλήρωσε έναν πολυετή κύκλο δοκιμών, καταρρίπτοντας δεκαετίες επιστημονικής αμφισβήτησης γύρω από το συγκεκριμένο φαινόμενο.
Για να γίνει κατανοητό το μέγεθος του παραδόξου, η αρχική δημοσίευση αντλεί έμπνευση από τα ομηρικά έπη, παρομοιάζοντας το ταξίδι του φωτονίου με την επιστροφή του Οδυσσέα στην Ιθάκη (μιας και η Οδύσσεια του Nolan είναι το θέμα του φετινού καλοκαιριού…). Εάν υποθέσουμε πως ο Οδυσσέας χρειάστηκε δέκα χρόνια για να φτάσει στο νησί του παρότι αντιμετώπισε ανυπέρβλητα εμπόδια, η μόνη λογική εξήγηση θα ήταν ότι ο χρόνος που πέρασε στο νησί της Καλυψώς δεν ήταν απλώς μηδενικός, αλλά είχε αρνητικό πρόσημο, αφαιρώντας έτη από το συνολικό του ταξίδι. Στον μικρόκοσμο των κβαντικών σωματιδίων, το φωτόνιο δρα ακριβώς όπως ο μυθικός ήρωας, αλληλεπιδρώντας με τα άτομα ρουβιδίου σε έναν χρόνο που οι φυσικοί πλέον καταγράφουν σταθερά ως αρνητικό.
Τι ακριβώς είναι ο «αρνητικός χρόνος» στην κβαντική μηχανική;
Ο αρνητικός χρόνος καταγράφεται όταν ένα φωτόνιο διέρχεται από ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου και, λόγω της αβεβαιότητας στη μέτρηση της ενέργειας του, φαίνεται να εξέρχεται πριν καν εισέλθει πλήρως. Η μέση διάρκεια παραμονής (dwell time) του φωτονίου στο σύστημα υπολογίζεται ως αρνητική, επιβεβαιώνοντας τη μαθηματική πρόβλεψη της κβαντικής θεωρίας μέσω εξαιρετικά αδύναμων μετρήσεων λέιζερ.
Η φυσική μηχανική πίσω από το πείραμα βασίζεται στον συντονισμό των ατόμων με τα φωτόνια. Προκειμένου το φως να απορροφηθεί έστω και προσωρινά από το νέφος ατόμων διεγείροντας τα, πρέπει η ενέργεια του φωτονίου να είναι απολύτως καθορισμένη. Όμως, βάσει της περίφημης Αρχής της Αβεβαιότητας του Heisenberg (του επιστήμονα, όχι του Walter White…), αν η ενέργεια ενός σωματιδίου είναι απολύτως ακριβής, ο χρόνος του πρέπει να παρουσιάζει τεράστια αβεβαιότητα, γεγονός που σημαίνει πως ο παλμός του φωτός αποκτά αναπόφευκτα εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια. Κατά συνέπεια, οι επιστήμονες γνωρίζουν μόνο τον μέσο χρόνο εισόδου του φωτονίου στο νέφος και όχι την ακριβή στιγμή, με τις πιθανότητες να υπαγορεύουν ότι τα περισσότερα φωτόνια θα διασκορπιστούν προς τυχαίες κατευθύνσεις. Όταν όμως το φωτόνιο καταφέρνει να διαπεράσει το νέφος χωρίς να διασκορπιστεί, η έξοδος του καταγράφεται τόσο νωρίς σε σχέση με τη μέση θεωρητική στιγμή εισόδου, που το άθροισμα του χρόνου παραμονής του μεταφράζεται σε αρνητικό νούμερο.
Η πρώτη φορά που καταγράφηκε αντίστοιχη συμπεριφορά ήταν το 1993, ωστόσο η διεθνής επιστημονική κοινότητα είχε προτιμήσει να αποδώσει το αποτέλεσμα σε ατέλειες της μέτρησης. Το βασικό επιχείρημα εκείνης της δεκαετίας υποστήριζε πως η πρώιμη άφιξη του φωτονίου οφειλόταν αποκλειστικά στο ότι μόνο το μπροστινό τμήμα του παρατεταμένου παλμού περνούσε επιτυχώς, ενώ το υπόλοιπο διασκορπιζόταν, δημιουργώντας τη λανθασμένη εντύπωση της γρηγορότερης εξόδου. Ο καθηγητής Steinberg αρνήθηκε να αποδεχτεί τη συγκεκριμένη εξήγηση, επιλέγοντας να σχεδιάσει ένα πείραμα που θα ρωτούσε απευθείας τα άτομα ρουβιδίου για το πόσο ακριβώς χρόνο «φιλοξένησαν» την κβαντική ενέργεια του φωτονίου κατά τη διάρκεια της διέλευσης του.
Εδώ ακριβώς εντοπίζεται η τεράστια μηχανική δυσκολία της όλης διαδικασίας, καθώς οποιαδήποτε συμβατική προσπάθεια παρατήρησης της θέσης του φωτονίου θα ενεργοποιούσε το κβαντικό παράδοξο του Ζήνωνα, μεταβάλλοντας ακαριαία την κατάσταση του συστήματος και καταστρέφοντας το ίδιο το φαινόμενο που εξετάζεται. Για να λύσουν τον γρίφο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ανεξάρτητη, εξαιρετικά χαμηλής έντασης δέσμη λέιζερ, η οποία διαπερνούσε το νέφος ατόμων πραγματοποιώντας σκόπιμα ανακριβείς αλλά απόλυτα βαθμονομημένες καταγραφές των αλλαγών στη φάση του φωτός. Αθροίζοντας και αναλύοντας εκατομμύρια διαδοχικές πειραματικές εκτελέσεις μέσω ισχυρών υπολογιστικών συστημάτων, η στατιστική ανάλυση οδήγησε στον ακριβή χρόνο παραμονής. Το αποτέλεσμα ταυτίστηκε απόλυτα με τον αρνητικό χρόνο που προέκυπτε από τις αρχικές παρατηρήσεις άφιξης, εξαλείφοντας οριστικά το σενάριο του πειραματικού σφάλματος.
Η ανακάλυψη αυτή δεν συνεπάγεται τη δυνατότητα κατασκευής μηχανών του χρόνου, ούτε παραβιάζει τους βασικούς κανόνες της θεωρίας της σχετικότητας, καθώς η πληροφορία δεν ταξιδεύει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Παρόλα αυτά, η δυνατότητα επακριβούς χειρισμού και μέτρησης μεμονωμένων φωτονίων δημιουργεί τεράστια προστιθέμενη αξία στην εφαρμοσμένη έρευνα για τα συστήματα Κβαντικής Διανομής Κλειδιών (QKD) και τον απόλυτα ασφαλή τηλεπικοινωνιακό εξοπλισμό της επόμενης δεκαετίας.
