Az atomok és a részecskék világában sok minden teljesen másként zajlik mint a makrokozmoszban; a kvantumfizikai világa a hétköznapi ember számára maga az abszurditások birodalma. Az egyik ilyen, a mindennapi valósággal teljesen ellentétes jelenség a negatív idő, amelynek valóságát most egy újabb hihetetlen felfedezés is megerősítette. Ez az új kísérlet bizonyítékot talált arra a korábbi feltételezésre, miszerint az atomok felhőjén áthaladó fotonok negatív időt töltenek el ott, és erre maguk az atomok szolgáltatják az újabb empirikus bizonyítékot.
Hihetetlen, és az emberi ész számára nehezen felfogható kvantumfizikai jelenség, a negatív idő valóságos létezését bizonyító kísérletről számolt be egy tudóscsoport az idén áprilisban publikált friss kutatásában.
„A felfedezés még nem azt jelenti, hogy egy időgép vagy bármi hasonló megépítésének a küszöbén állnánk” – mondja Howard Wiseman, az ausztrál Griffith Egyetem elméleti kvantumfizikusa és az alapul szolgáló tanulmány társszerzője, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. „Noha a jelenség megérthető a standard fizikával, de ez mégis a kvantumfizika egy olyan újabb furcsa tulajdonsága, amiről az emberek nem is gyanítják, hogy létezhet” – magyarázza az ausztrál elméleti fizikus.
Azt már korábban is feltételezték, hogy szubatomi szinten az időnek létezhetnek igen furcsa kilengései.
A fotonok, a fényt hordozó részecskék az atomfelhőn áthaladva átmenetileg elnyelődnek, látszólag eltűnnek, majd a gerjesztésnek nevezett folyamat eredményeként újra megjelennek de még azt megelőzően, mielőtt újra kibocsátódnának.
Már korábban, 2022-ben, illetve 2024-ben a Torontói Egyetem kutatói kísérletekkel kimutatták, hogy egyrészt az atomok a foton elnyelődése nélkül is gerjesztődhetnek, másrészt – és ez volt az igazi meglepetés –, az atomok még azt megelőzően leadták a fotonokat, mielőtt azok elnyelődtek volna, ez pedig felborította az időbeliség sorrendjét.
Egyes, az úgynevezett áteresztett fotonok fő szabályként ugyanabban az irányban jutnak át mint amelyikben megérkeznek, mások viszont előre megjósolhatatlanul véletlenszerű irányokban szóródnak szét.
Néhány korai, az 1990-es évekig visszanyúló kísérlet szintén azt valószínűsítette, hogy a fotonok általában még azt megelőzően érkeznek a detektorhoz, mielőtt a saját impulzusok középpontja elérné azt és belépne az atomfelhőbe. Ez a nehezen értelmezhető megfigyelés pedig a fotonok negatív idejű áthaladására utalt.
Kvantumőrültség: mindig negatív időt jelezett az atomfelhő
Ezzel a megfigyeléssel akadt azonban egy probléma, ugyanis az impulzus elején lévő fotonok nagyobb valószínűséggel jutnak át az atomfelhőn, mint a hátulján lévők.
Ha csak azokat a fotonokat vesszük figyelembe amelyek átjutnak, akkor az időbeliség is korainak tűnhet, de ez korántsem magyaráz meg mindent a negatív idő problematikájával kapcsolatban.
A kutatók győzködték magukat, hogy ez valójában nem akkora őrültség, mint amilyennek látszik
– mondja Howard Wiseman, a Griffith Egyetem elméleti kvantumfizikusa. Éppen ezért egy új, a Physical Review Letters szakfolyóiratban idén április 13-án megjelent tanulmányban a publikációt jegyző fizikusok egy másik megközelítést próbáltak ki. Ahelyett, hogy a foton detektorhoz érkezésére koncentráltak volna, azt figyelték meg, hogy az atomok gerjesztett állapotban vannak-e, miközben a foton áthalad az atomfelhőn.
Amikor az atom elnyel egy fotont, az energiaként tárolódik és ennek következtében az atom gerjesztett állapotba kerül. Az atom mindaddig ebben a gerjesztett és az alapállapothoz képest magasabb energiaszintű állapotban marad, amíg újra ki nem bocsátja a fotont.
Ezért a gerjesztett állapot időtartamának megmérése megmutatja, hogy az atom mennyi ideig nyelte el a fotont. A tudóscsoport ezt egy második fénysugárral mérte, ami az atom gerjesztési szintjétől függően apró fáziseltolódást mutatott, jól demonstrálva a pillanatról pillanatra bekövetkező változásokat.
Az ezzel a módszerrel elvégzett kísérleti mérések pedig megerősítették a korábbi, „kvantumőrültségnek” nevezett kísérletek sok vitát kiváltó eredményeit.
„Mindig ugyanazt a választ kaptuk a »megkérdezett« atomoktól arra, hogy mennyi ideig marad bennük a foton, a válasz pedig a negatív időtartam volt” – mondja Howard Wiseman, a tanulmány társszerzője.
E válasz megtalálása azonban korántsem volt egyszerű technikai feladat a kvantumrendszerek mérésének zavarai miatt, ami ennél a kísérleti módszernél potenciálisan azt is megakadályozhatja, hogy a foton elnyelődjön.
A kísérlet minden egyes futtatását elnyomta a zaj, vagyis azok a véletlenszerű ingadozások, amelyek lehetetlenné tették a jel és a statikus elektromosság megkülönböztetését bármely egyedi mérésben.
Csak hozzávetőleg egymillió futtatás átlagolása után jelent meg egyértelmű jel. Nagyjából hét kísérleti paraméterkészlet alapján a teljes adatgyűjtés körülbelül 70 órán át tartott. A foton és az atom kölcsönhatásával kapcsolatban már egy évszázaddal ezelőtt is végeztek méréseket, illetve számításokat.
Howard Wiseman szerint ezért önmagában is érdekes, hogy a foton és az atomok kölcsönhatása még ennyi idő után is képes komoly meglepetéseket okozni. Miután sikerült a kísérlettel újfent bebizonyítani, hogy a szubatomi világban létezik a negatív idő, a kutatócsoport a vizsgálatait a fotonok másik, az atomfelhőn át nem jutó csoportjára akarja kiterjeszteni.
Az irányadó elmélet szerint ezek a fotonok olyan extra pozitív gerjesztési időt hordoznak ami elég ahhoz, hogy kiegyenlítse az áthaladó fotonok negatív idejét, így az áthaladási idő átlaga nulla, vagy valamivel a feletti marad, de nem válik negatívvá..
Mivel ezt az előrejelzést mindeddig még sohasem tesztelték, a tudóscsoport azt tervezi, hogy e hipotézis helytállóságát újabb kísérletekkel fogja ellenőrizni.
Ha az elvégzendő kísérletek nem erősítik meg ezt az elméleti jóslatot, továbbra is talány marad a negatív idő értelmezése, ami ahhoz hasonló és az emberi fantázia határait súroló feladvány, mint a kísérteties távolhatás problematikája. A kvantumvilág nehezen felfogható furcsaságai még bizonyosan sok fejtörést fognak okozni a jövőben is az elméleti fizikusok számára.
Borítókép: Pixabay