Hihetetlen felfedezés: újabb bizonyítékot találtak a negatív időre

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.

Létezik a negatív idő egy friss kutatás szerint Fotó: FlashMovie Forrás: Physics World

Az atomszerkezet sematikus felépítését ábrázoló grafika   Fotó: Wikimedia Commons

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 foton elnyelődésének és az atom gerjesztődésének művészi ábrája  Fotó: Koto Feja/Getty Images / Live Science

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.

Az atomfelhő ábrája   Fotó: Wikimedia Commons

Egy kvantummechanikai rendszer alapállapota a legkisebb energiájú sajátállapot. Az alapállapot energiáját a rendszer nullponti energiájának is nevezik. Ehhez képest gerjesztett állapotnak nevezünk bármely más olyan állapotot, amelynek az energiája nagyobb, mint a sajátállapoté.

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.

A foton elnyelődését és a negatív időt szemléltető ábra    Fotó: ArXiv

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.

Továbbra is megmaradnak a kérdőjelek

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. 

A foton elnyelődésének mérése megerősítette a valós negatív időt  Fotó: Phys.org

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. 

A negatív idő értelmezésével kapcsolatban még bőven maradtak kérdőjelek   Fotó: Interesting Engineering

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 helyt állóságát 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.

Az eredeti tanulmány itt olvasható el angol nyelven.

Az idén áprilisban publikált friss kutatás:

• újfent megerősítette azt a korábbi, „kvantumőrültségnek” nevezett jelenséget,
• hogy az atomok még azt megelőzően leadták a velük kölcsönhatásba került fotonokat,
• mielőtt azok még elnyelődtek volna az atomfelhőben,
• újabb kísérleti eredménnyel bizonyítva azt,
• hogy a szubatomi világban létezik a valós negatív idő.