Fotóny ukázali jav, ktorý znie ako cestovanie v čase. Svetlo sa správalo, akoby opustilo atómy skôr, než do nich vstúpilo
V rámci nového experimentu výskumníci pozorovali, ako fotóny vyšli z oblaku atómov skôr, ako doňho dorazili. Čo sa stalo?
Fyzika na kvantovej úrovni opäť ukázala, že intuícia tu často zlyhá. Nový experiment ukázal jav, ktorý znie takmer ako paradox, fotóny môžu v určitých podmienkach stráviť „negatívny čas“ v oblaku atómov. V praxi to vyzerá tak, že svetlo niekedy opustí prostredie skôr, než doň reálne vstúpi. Výskum riešil tím okolo fyzikov z austrálskej Griffith University a výsledky publikoval časopis Physical Review Letters. Nejde však o porušenie fyziky ani náznak cestovania v čase. Ide o dôsledok toho, ako sa správa svetlo na kvantovej úrovni, informuje Live Science.
Svetlo sa správa komplikovanejšie, než si myslíš
Aby si tento efekt pochopil, musíme sa na svetlo pozrieť trošku inak. Fotón neletí ako malá guľôčka, vo fyzike ho opisuje tzv. vlnový balík. Vlnový balík predstavuje zhluk vĺn, ktorý nesie svetelný impulz, nejde o jeden bod, ale o rozmazanú pravdepodobnosť, kde sa fotón nachádza. Predstav si ju ako skupinu ľudí, ktorí prechádzajú cez hustý dav. Každý sa pohybuje trochu inak, niekto zrýchli, iný spomalí. Keď táto skupina prejde davom, jej tvar sa zmení. Presne toto sa deje so svetlom.
Keď vlnový balík vstúpi do oblaku atómov, atómy ho neprepustia ako celok. Časť pohltia, časť oneskoria a časť pustia ďalej. Tým celý balík preformujú. A tu vznikne zvláštny efekt, jeho najsilnejšia časť, teda vrchol signálu, sa môže posunúť tak, že matematicky vyjde, akoby sa objavil na výstupe skôr, než celý impulz stihol vstúpiť. Čas sa pritom neotáča, mení sa len tvar vlny. Čo sa v skutočnosti deje v atómoch.
Keď fotón prejde cez oblak atómov, časť energie sa dočasne uloží do atómov. Tie sa dostanú do tzv. excitovaného stavu a neskôr energiu znovu vyžiaria. Tento proces funguje ako krátkodobé „držanie“ fotónu v systéme. Meranie tejto fázy ukáže, ako dlho sa svetlo v prostredí skutočne nachádzalo. A výsledok vychádza zvláštne, niektoré fotóny majú negatívny čas interakcie.
„Keď sa spýtaš atómov, ako dlho u nich fotón zostal, dostaneš odpoveď, ktorá vyjde ako negatívny čas,“ hovorí jeden z autorov štúdie, Howard Weisman.
Potvrdenie negatívneho času nebola vôbec jednoduchá úloha
Podobné výsledky sa objavili už v roku 1993, keď fyzik Aephraim Steinberg ukázal, že svetelné impulzy môžu prejsť určitými bariérami tak, že vyjdú skôr, než by klasická fyzika čakala. Problém bol v interpretácii. Vtedy sa meralo len to, kedy svetlo dorazí na detektor. Lenže to vytváralo skreslenie. rýchlejšie časti signálu sa prirodzene „prepašovali“ častejšie než pomalšie. Vedecká komunita to preto dlhé roky vysvetľovala ako štatistický efekt, nie reálny jav.
Neprehliadni
Až moderné experimenty umožnili pozrieť sa priamo do procesu, nie iba na výsledok.
V kvantovej fyzike platí nepríjemné pravidlo, ak meriaš príliš presne, zmeníš výsledok. Silné meranie dokáže celý proces absorpcie fotónu narušiť. Preto vedci použili tzv. slabé merania. Predstav si to ako situáciu, keď do miestnosti nevstúpiš, len veľmi jemne otvoríš dvere a pozeráš, čo sa vo vnútri miestnosti deje. Síce nevidíš do miestnosti poriadne, no nikto si nevšimol, že si dvere pootvoril, preto sa správajú, ako by si tam nebol.
Nevýhoda je teda jasná, signál je extrémne šumový. Preto museli vedci opakovať experiment približne miliónkrát, aby z chaosu vytiahli použiteľné dáta.
Keď vedci spojili správanie vlnového balíka, selektívne prechody cez atómy a kvantové merania, dostali situáciu, kde sa tvar signálu preusporiadal. Vrchol vlny sa posunul dopredu tak výrazne, že výpočet času interakcie vyjde záporný. Nejde teda o to, že by svetlo cestovalo späť. Ide o to, že prostredie preformuje signál tak, že jeho maximum dorazí skôr než jeho „začiatok“ v klasickom zmysle.
Vedci teraz skúmajú opačnú časť procesu, fotóny, ktoré cez oblak neprejdú. Teória hovorí, že tie môžu niesť opačný efekt a vyvážiť celý systém. Ak sa to potvrdí, celkový priemer zostane v súlade s klasickou fyzikou, ale jednotlivé interakcie budú ďalej ukazovať zvláštne kvantové správanie. Fyzika tak opäť ukazuje, že realita na najmenšej škále funguje inak, než by si čakal, aj keď stále ostáva pevne v rámci svojich vlastných pravidiel.
