Физики впервые измерили «отрицательное время» в лаборатории: квантовый парадокс света оказался реальностью

Взаимодействие света с материей — один из наиболее изученных процессов в современной физике. Когда электромагнитный импульс проходит через стекло, воду или газ, он замедляется. Это происходит потому, что фотоны не просто летят сквозь пустоту: они взаимодействуют с атомами среды. Фотон поглощается атомом, переводит его в возбужденное энергетическое состояние, а спустя некоторое время атом возвращается в исходное состояние, переизлучая фотон дальше. Время, которое затрачивается на этот процесс, физики называют групповой задержкой.

В большинстве случаев законы этого процесса линейны и понятны. Но есть в физике один парадокс, когда частота падающего света максимально приближается к собственной резонансной частоте атомов среды. В этом специфическом режиме математические модели показывают, что групповая задержка становится отрицательной.

Длительное время явление считалось исключительно математической абстракцией. Утверждалось, что отрицательная задержка — это побочный эффект сложения волн. Считалось, что пик светового импульса просто меняет свою форму таким образом, что регистрирующая аппаратура фиксирует его выход из среды раньше, чем он в нее вошел, но физически сам свет не проводит в атомах меньше нуля секунд. Предполагалось, что отрицательное время не имеет реального влияния на физический мир.

Но исследовательская группа из Университета Торонто опубликовала результаты эксперимента, который доказывает реальность процесса. Физики смогли напрямую измерить время, которое отдельный прошедший сквозь среду фотон проводит внутри атома, и доказали, что отрицательное время взаимодействия оставляет реальный, измеримый след на других физических объектах.

Проблема квантового наблюдения

Измерить время, которое один фотон проводит в атоме, технически крайне сложно из-за базовых законов квантовой механики. Главное препятствие — проблема измерения. Если вы попытаетесь зафиксировать фотон в тот момент, когда он находится внутри атома, вы неизбежно измените его состояние. Фотон будет поглощен или рассеян, и он никогда не выйдет с другой стороны среды.

Чтобы эксперимент имел смысл, исследователям нужно было узнать параметры только тех фотонов, которые успешно пересекли среду насквозь. В квантовой теории этот метод называется постселекцией: ученые проводят множество испытаний, но анализируют данные только из тех попыток, которые завершились строго определенным результатом — в данном случае, регистрацией прошедшего сквозь облако фотона.

Для решения этой задачи инженеры применили концепцию «слабых измерений». Этот метод позволяет получить информацию о квантовой системе, воздействуя на нее настолько слабо, что ее изначальное состояние практически не нарушается. В основе эксперимента лежал нелинейный оптический эффект, позволяющий одному лучу света считывать информацию о другом луче через изменения самой среды.

Архитектура эксперимента

Лабораторная установка представляла собой магнитооптическую ловушку, внутри которой в вакууме удерживалось облако атомов рубидия-85. Чтобы атомы не двигались и не создавали тепловой шум, их охладили до температуры около 60 микрокельвинов, что крайне близко к абсолютному нулю. Размер этого атомного облака составлял всего около одного миллиметра в длину.

Сквозь облако атомов навстречу друг другу направлялись два лазерных луча. Их роли были разделены:

1. Сигнальный луч. Это короткие импульсы света, настроенные точно на резонансную частоту атомов рубидия. Именно этот луч был объектом исследования. Физикам нужно было выяснить, сколько времени фотоны этого луча проводят в виде атомного возбуждения.
2. Зондирующий луч. Это непрерывный лазер, частота которого была специально смещена относительно резонанса атомов. Он выступал в роли измерительного прибора. Зондирующий луч не поглощался атомами, но непрерывно проходил сквозь них.

Механика измерения строилась на следующем принципе. Когда фотон сигнального луча попадает в облако, он на короткое время переводит часть атомов в возбужденное состояние. Это кратковременное изменение структуры облака влияет на его оптическую плотность. Зондирующий луч, который в этот же момент проходит через облако, реагирует на это изменение: его волна испытывает микроскопический фазовый сдвиг.

Измеряя величину этого сдвига, исследователи могли точно определить, сколько именно времени атомы находились в возбужденном состоянии из-за пролетающего сигнального фотона.

Преодоление статистического предела

Главная техническая трудность эксперимента заключалась в масштабе измеряемых величин. Сдвиг фазы зондирующего луча, вызываемый одним переданным фотоном, ничтожно мал. Ожидаемое значение находилось в диапазоне от 10 до 20 микрорадиан. При этом собственный квантовый и аппаратный шум детекторов составлял около 120 миллирадианов — сигнал был в тысячи раз слабее шума аппаратуры.

Чтобы выделить истинные данные, физикам пришлось запустить процесс сбора статистики феноменальных объемов. Эксперимент был разбит на временные окна длительностью 576 наносекунд. В каждом таком окне через атомы проходил один сигнальный импульс. На другом конце установки стоял сверхчувствительный детектор одиночных фотонов.

Система фиксировала два массива данных. В первый записывались фазовые характеристики зондирующего луча в те моменты, когда детектор подтверждал, что сигнальный фотон успешно прошел сквозь облако. Во второй массив записывались данные зондирующего луча, когда детектор не фиксировал фотон (то есть сигнал рассеялся или был поглощен окончательно).

Вычитая усредненные показатели второго массива из первого, исследователи отсекали весь шум и получали чистый фазовый сдвиг, спровоцированный исключительно теми фотонами, которые пересекли среду насквозь. Для получения достоверных результатов на каждый набор параметров требовались десятки миллионов циклов, что занимало часы непрерывной работы установки. Тесты проводились для сигнальных импульсов разной длительности: 10, 18, 27 и 36 наносекунд.

Результаты и физика отрицательного времени

После синхронизации данных и фильтрации шума результаты совпали с квантовыми теоретическими предсказаниями. В тех режимах, где частота света и параметры облака формировали отрицательную групповую задержку, фазовый сдвиг зондирующего луча также оказался отрицательным.

Вычислив на основе этого сдвига время атомного возбуждения, исследователи получили отрицательные значения. Для самых узкополосных импульсов время возбуждения атома составило −0.82+-0.31 от стандартного времени жизни возбужденного состояния рубидия. Для других параметров значения также находились в отрицательной зоне.

Что это означает с точки зрения физики? В квантовой механике состояние системы описывается вероятностями. Когда сигнальный фотон проходит сквозь облако и мы фиксируем этот факт (постселекция), мы имеем дело с интерференцией различных вариантов развития событий. Данные эксперимента показывают, что прохождение фотона насквозь снижает общую вероятность того, что атомы будут найдены в возбужденном состоянии по сравнению с ситуацией, когда сигнал вообще не подавался.

Интегрирование этой пониженной вероятности по времени дает математически отрицательный результат. Но эксперимент доказал, что этот результат — не просто цифра на бумаге. Зондирующий луч получил реальный, физический сдвиг фазы противоположного знака.

Фундаментальное значение эксперимента

Работа исследователей из Университета Торонто ставит точку в долгом споре о природе отрицательной групповой задержки. Оказалось, что величины, принимающие значения меньше нуля в расчетах квантовой электродинамики, нельзя игнорировать или списывать на особенности волновой функции.

Отрицательное время, которое фотон проводит в атоме, физически осмысленно. Оно точно описывает масштаб и направление воздействия, которое пролетающий свет оказывает на саму среду и на другие системы, взаимодействующие с этой средой (как это произошло с непрерывным зондирующим лазером).

В практическом смысле, понимание того, как именно свет обменивается энергией с веществом на уровне индивидуальных фотонов, является основой для разработки технологий квантовой памяти, оптических квантовых компьютеров и высокоточных систем передачи данных. Управление задержкой световых импульсов в диэлектрических средах требует учета всех квантовых эффектов, включая те, которые наша интуиция отказывается воспринимать. Эксперимент доказал, что законы квантового мира необходимо принимать буквально, какими бы парадоксальными они ни казались с точки зрения классической механики.

Источник:arXiv