Môže čas získať „zápornú“ hodnotu? Nový experiment zamotal hlavu aj vedcom, poukazuje na zvláštny svet kvantovej fyziky
Autori novej štúdie si mysleli, že nameranie "záporného času" musí znamenať chybu v ich experimente, no túto hodnotu potvrdili dve nezávislé merania.
Fyzici publikovali experiment, ktorý na prvý pohľad nedáva zmysel, pri prechode svetla cez atómový oblak im vyšiel strávený čas záporný. Spočiatku aj samotní autori rozmýšľali, či nejde o chybu merania, no následne vykonali dve nezávislé potvrdenia, ktoré sedeli s pôvodným výsledkom.
V experimente pracovali s fotónmi, kvantovými časticami svetla, a oblakom atómov rubídia, informuje portál The Conversation. Tento systém zvolili preto, že fotón môže svoju energiu na krátky čas odovzdať atómu. Atóm sa tým dostane do excitovaného stavu a následne energiu znovu vyžiari. Takáto interakcia sa označuje ako čas zotrvania, teda čas, počas ktorého je energia fotónu viazaná v atómoch.
Aby k nej dochádzalo efektívne, fotón musí mať presne definovanú energiu. Tu vstupuje do hry Heisenbergov princíp neurčitosti. Ten hovorí, že ak je energia presne určená, časová informácia sa „rozmaže“, svetelný impulz sa natiahne a jeho presný začiatok a koniec nie je možné presne určiť.
Ako dokázali výskumníci dostať „záporný čas“?
Vedci najprv sledovali, kedy fotón dorazí na druhú stranu oblaku. Na základe priemerného času vstupu a známej rýchlosti svetla vedeli vypočítať očakávaný čas výstupu. Lenže fotóny, ktoré prešli bez rozptylu, dorazili skôr, než podľa tohto odhadu mali. Keď rozdiel prepočítali, vyšlo, že čas strávený v oblaku je záporný.
„Fotón dorazí tak skoro, že to vyzerá, akoby opustil oblak skôr, než doň vstúpil,“ uvádzajú autori experimentu.
Podobný efekt fyzici poznali už skôr a väčšinou ho vysvetlili ako artefakt tvaru impulzu, teda že cez oblak prejde len jeho predná časť. Tento výklad však nevysvetľoval, čo sa deje na úrovni interakcie medzi fotónom a atómami.
Neprehliadni
Preto sa výskumníci rozhodli zmerať „dwell time“ iným spôsobom, priamo cez atómy. Tu narazili na základný problém kvantovej fyziky, a to že meranie mení systém. Ak by sledovali atómy príliš presne, zabránili by samotnej interakcii. Tento jav sa označuje ako kvantový Zenónov efekt.
Riešenie spočívalo v takzvanom slabom meraní, pri ktorom vedci použili veľmi jemný laser. Ten prechádzal cez oblak a zachytával malé zmeny v jeho vlastnostiach. Jednotlivé merania boli síce nepresné, ale priemer z veľkého množstva opakovaní poskytol spoľahlivý výsledok.
Hodnota „dwell time“, ktorú takto získali, sa presne zhodovala so záporným časom odvodeným z príchodu fotónu.
„Slabé meranie dalo rovnaký záporný čas ako výpočet z príchodu fotónu,“ uvádzajú vedci.
To znamená, že nejde len o optický efekt spôsobený tvarom impulzu, ako sa ešte donedávna predpokladalo. Záporný čas sa prejavuje aj v samotnej interakcii medzi svetlom a hmotou.
Autori štúdie vysvetľujú, že v kvantovej mechanike čas nefunguje ako klasická veličina. Nie je to vlastnosť, ktorú častica „má“ nezávisle od prostredia, ale vzniká ako výsledok interakcie a spôsobu merania. Presne definovaná energia vedie k nepresne definovanému času. V takomto režime môžu matematicky vychádzať hodnoty, ktoré nemajú klasickú interpretáciu, vrátane záporných hodnôt.
Aj napriek zápornému výsledku ostáva kauzalita zachovaná
Aj keď výsledok pôsobí paradoxne, neporušuje základné princípy fyziky. Informácia sa stále šíri maximálne rýchlosťou svetla a nedochádza k porušeniu kauzality, teda príčiny a následku. Záporný čas sa týka len špecifického spôsobu definovania priemerného času interakcie, nie reálneho „cestovania späť“.
„Experiment plne zapadá do štandardnej fyziky,“ zdôrazňujú autori.
Tento výsledok má význam najmä z hľadiska pochopenia interakcie svetla a hmoty. Dlhodobo nebolo jasné, či ide len o artefakt merania, alebo o reálny jav. Potvrdenie, že záporný čas zotrvania sa prejavuje aj v atómoch, znamená, že ide o fyzikálne relevantný efekt.
To môže mať dopad na kvantové technológie, kde sa pracuje s veľmi krátkymi časovými škálami. Presné poznanie dynamiky interakcií je dôležité napríklad pri kvantových pamätiach alebo spracovaní informácií.
Experiment ukázal, že pri určitých kvantových interakciách môže vyjsť záporný čas ako konzistentný výsledok merania. Nejde o chybu ani o porušenie fyzikálnych zákonov, ale o dôsledok toho, ako kvantová mechanika definuje čas a energiu.
Výsledok nemení základné pravidlá, ale spresňuje ich interpretáciu v situáciách, kde klasická intuícia prestáva fungovať.
