Физики впервые зафиксировали отрицательное время

Физики из Университета Торонто показали, что фотоны, проходящие сквозь облако атомов рубидия, иногда как будто проводят внутри него отрицательное время — и это можно напрямую подтвердить, «спросив» сами атомы.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Атомы рубидия способны на время поглощать энергию фотона определенной частоты, переходя в возбужденное состояние, — фотон как бы «задерживается» в облаке, прежде чем высвободиться. Из-за принципа неопределенности точно определенная по энергии частица должна иметь смазанное во времени положение, поэтому момент входа фотона в облако известен лишь в среднем.

Если сравнить этот средний момент входа с фактическим временем прихода фотона на другую сторону облака, оказывается, что он приходит раньше, чем должен, — иногда настолько рано, что получается отрицательное время пребывания внутри. Эффект известен с эксперимента 1993 года, но физики долго считали его лишь артефактом: якобы сквозь облако проходит только самый ранний край длинного светового импульса, а остальная часть рассеивается.

Чтобы проверить, реален ли эффект, ученые придумали способ «спросить» сами атомы, сколько времени фотон провел среди них, не разрушив при этом сам эффект слишком точным измерением — иначе сработал бы квантовый эффект Зенона. Для этого через облако одновременно пропускали слабый лазерный луч, не связанный с самим фотоном, и по крошечным изменениям фазы этого луча оценивали, были ли атомы возбуждены.

Одно измерение дает лишь грубую оценку, но усреднение по миллионам повторов дало точный результат: отрицательное время, полученное таким «слабым измерением», в точности совпало с временем, вычисленным по среднему моменту прихода фотона — притом что этот результат уже нельзя объяснить рассеянием переднего края импульса.

Как подчеркивают авторы, полученный результат полностью укладывается в рамки стандартной физики и не означает, что удалось создать машину времени, однако впервые напрямую доказывает, что отрицательное время пребывания — не иллюзия, а измеримый физический эффект.