Физики показали, что в квантовом мире время может течь вспять
В 2017 году группа физиков из Университета Торонто заинтересовалась квантовым эффектом, который возникает при облучении материи светом. Когда фотон облучает атом, электрон может получить порцию энергии и возбудиться, то есть перейти на более высокий энергетический уровень. Через какое-то время электрон снова падает в невозбужденное состояние и излучает квант света.
Этот эффект хорошо изучен. Но физики задались вопросом: а сколько времени проводит электрон в возбужденном состоянии, прежде чем излучает фотон? Оказалось, что на этот вопрос ответа нет. Было ясно, что это время сравнительно небольшое, но измерить его не удавалось.
Подготовка эксперимента, его верификация и теоретическое объяснение заняли почти 7 лет. Результат оказался парадоксальным. Работа размещена на сайте arXiv.
Ученые использовали ультрахолодные атомы рубидия, чья температура составляет нанокельвины, – это почти абсолютный нуль. Атомы фактически «стоят», у них почти отсутствуют тепловые колебания. Атомы начали облучать и регистрировать время, за которое фотоны пролетают сквозь облако рубидия.
Ученые пишут, что некоторые фотоны пролетали насквозь, не задевая атомы и не возбуждая, а некоторые фотоны возбуждали атомы. При точнейших измерениях, оказалось, что фотоны, которые возбуждают атомы, не задерживаются, а ускоряются. Время, за которое возбуждающие фотоны пролетают сквозь среду (пролет плюс задержка) в некоторых случаях меньше, чем время свободно пролетающих фотонов (только пролет). То есть время задержки следует считать не «небольшим положительным интервалом», а «небольшим отрицательным».
Ученые теоретически показали, что их результат не противоречит ограничению на скорость света, которое является основной аксиомой специальной теории относительности, поскольку фотоны не переносят информацию (как и в случае запутанных частиц).
«Размазанное облако» времени
Физик Джозайя Синклер из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в последней работе, но начинал исследования с коллегами из Университета Торонто, так описал результат работы: в этом эксперименте время ведет себя, как слегка «размазанное облако», которое протекает не только вперед (как это всегда происходит при классических экспериментах), но и назад.
Синклер проводит такое сравнение: «Отрицательная задержка времени может показаться парадоксальной, но это означает, что если вы построите "квантовые" часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах будет двигаться назад, а не вперед».
Вряд ли на таких эффектах можно построить «машину времени», но эксперимент обязательно привлечет внимание физиков к самой природе времени.