Фотоны могут вести себя так, словно покидают облако атомов раньше, чем успевают в него попасть, выяснили ученые. Новый эксперимент впервые подтвердил этот необычный квантовый эффект не по движению самих частиц света, а по реакции атомов, которые их поглощают.
Исследование физиков Торонтского университета в Канаде и университета Гриффита в Австралии посвящено так называемому отрицательному времени — одному из самых необычных явлений квантовой механики. Еще в 1990-х эксперименты показали, что некоторые фотоны проходят через облако атомов так, словно достигают выхода раньше, чем центр светового импульса успевает войти в среду. Однако ученые не могли исключить, что наблюдают статистический эффект, связанный с особенностями измерений, а не реальное физическое явление.
В новой работе исследователи решили проверить гипотезу другим способом. Вместо наблюдения за самими фотонами они измеряли состояние атомов, которые временно поглощают частицы света. Когда атом поглощает фотон, он переходит в возбужденное состояние, а продолжительность этого состояния показывает, сколько времени фотон фактически находился внутри него.
Для измерений ученые использовали дополнительный лазерный луч, который фиксировал малейшие изменения состояния атомов. Полученные данные подтвердили выводы прежних экспериментов: некоторые фотоны действительно демонстрировали отрицательное время пребывания в среде. «Если спросить сами атомы, сколько времени фотон находился внутри них, они тоже дадут отрицательное значение», — пояснил соавтор исследования, квантовый физик университета Гриффита Говард Уайзман.
Авторы подчеркивают, что речь не идет о путешествиях во времени или нарушении законов физики. Эффект полностью укладывается в рамки квантовой механики и связан с особенностями взаимодействия света и вещества на микроскопическом уровне.
Получить результат оказалось непросто. Любое измерение в квантовой системе влияет на ее состояние, поэтому исследователи использовали метод слабых измерений, который минимально вмешивается в происходящие процессы. Из-за высокого уровня шумов ученым пришлось усреднить результаты примерно миллиона экспериментов. Сбор данных занял около 70 часов.
Теперь физики планируют изучить фотоны, которые не проходят через атомное облако, а рассеиваются в стороны. Теория предсказывает, что они должны демонстрировать дополнительное положительное время, которое компенсирует отрицательное время прошедших фотонов и сохранит общий баланс системы.
