Фотоны — безмассовые частицы, образующие видимый свет — могут поглощаться атомами, через которые проходят.
Фотоны в облаке атомов
Команда физиков только что открыла загадочное квантовое явление под названием «отрицательное время». В работе, опубликованной на сервере препринтов ArXiv, говорится, что ученые наблюдали фотоны, демонстрирующие странное временное поведение в результате так называемого возбуждения атомов. Напомним, что термин «возбуждение» в физике объясняет переход частицы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.
Если говорить несколько проще, то физики обнаружили, что фотоны физически выходят из среды до того, как войдут в нее. Это кажется парадоксальным, однако эффекты явления объясняются особенностями квантовой механики. Таким образом, международная исследовательская группа экспериментально доказала удивительный феномен: фотон, проходя через облако атомов, проводит там «отрицательное время».
Чтобы разобраться в результатах исследования, отметим, что когда свет проходит через материал, он в большинстве случаев задерживается там на некоторое время - это явление физики называют положительной «групповой задержкой». Считается, что она связана с тем, сколько времени фотон проводит в возбужденном состоянии внутри атомов материала.
Однако в некоторых случаях, особенно когда частота света близка к резонансной частоте атомов, групповая задержка может стать отрицательной. Это означает, что пик выходящего импульса света появляется раньше, чем без среды, что, однако, не подразумевает нарушение причинно-следственных связей или путешествие во времени.
Само явление связано с квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды и долгое время считалось парадоксальным, вызывая немало споров в академическом сообществе.
Как проходил эксперимент?
В рамках эксперимента команда применила перекрестный эффект Керра - он связан с нелинейным взаимодействием между двумя световыми полями в среде, где одно поле влияет на показатель преломления для другого - для измерения степени возбуждения атомов, вызванного проходящим фотоном.
Физики использовали два лазерных луча: «сигнальный луч» — слабые когерентные импульсы света с малым средним числом фотонов, и «зондирующий луч» - слабый и смещенный по частоте. Такой подход позволяет ученым проводить статистический анализ.
Когда сигнальный пучок фотонов проходил через облако атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, то на короткое время возбуждал атомы, позволяя измерить фазовый сдвиг и определить сколько времени фотоны «провели» в атомах.
Результаты эксперимента показали, что среднее время возбуждения атомов для проходящего пучка фотонов может быть отрицательным. Это означает, что эффект взаимодействия фотонов с атомами приводит к сокращению времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии (по сравнению с отсутствием взаимодействия).
Отрицательная временная задержка фотонов в атомной среде может показаться парадоксальной, но это означает, что если создать «квантовые» часы для измерения времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных условиях будет двигаться назад, а не вперед», — объясняет Джозайя Синклер из Университета Торонто, который не принимал участие в исследовании.Авторы нового исследования также провели эксперименты с различными длительностями импульсов и оптическими плотностями облака и обнаружили, что среднее время возбуждения атомов, вызванное переданным пучком фотонов, соответствует групповой задержке.
Квантовые эффекты
Новое открытие имеет важное значение для фундаментальной физики. Дело в том, что отрицательное время пребывания фотонов в атомах бросает вызов традиционным представлениям о причинно-следственных связях и может привести к пересмотру некоторых аспектов квантовой оптики и теории распространения волн в средах с аномальной дисперсией.
Важно отметить, что физические законы не нарушаются: отрицательная групповая задержка обусловлена квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды, а не реальным ускорением фотонов. Однако суперпозиция и квантовые эффекты играют ключевую роль в понимании наблюдаемого явления.
Напомним, что в состоянии суперпозиции квантовые частицы, такие как фотоны, могут находиться в двух разных состояниях одновременно. Для детектора, измеряющего время входа и выхода фотонов из среды, это означает, что фотоны могут давать как положительные, так и отрицательные значения времени, что и приводит к понятию «отрицательного» времени.
Почему это важно?
Полученные в рамках исследования результаты показали, что отрицательные значения времени (такие как групповая задержка), имеют более глубокий физический смысл, чем считалось ранее, что может привести к прорыву в области квантовых технологий, в основе работы которых лежит взаимодействие света и материи.
Авторы отметили, что их поразило отсутствие единого мнения среди экспертов о том, что происходит с отдельным фотоном во время задержки.
Таким образом, наблюдаемое отрицательное время пучка фотонов, проходящего через облако ультрахолодных атомов, не меняет нашего привычного понимания времени, однако открытие само по себе удивительно, а будущие исследования в этой области могут привести к созданию новых технологий.
Комментарии читателей
на нашу рассылку