Ученые давно знают, что иногда кажется, что свет выходит из материала раньше, чем входит в него — этот эффект считается иллюзией, вызванной тем, как волны искажаются материей.
Теперь исследователи из Университета Торонто с помощью инновационных квантовых экспериментов заявили, что продемонстрировали, что «отрицательное время» не просто теоретическая идея — оно существует в ощутимом физическом смысле, заслуживающем более пристального изучения.
Результаты исследования, которые еще не опубликованы в рецензируемом журнале, привлекли как внимание мировой общественности, так и скепсис.
Исследователи подчеркивают, что эти озадачивающие результаты свидетельствуют о своеобразной причуде квантовой механики, а не о радикальном сдвиге в нашем понимании времени.
«Это сложная тема, даже для нас, чтобы говорить о ней с другими физиками. Нас постоянно неправильно понимают», — говорит Эфраим Стейнберг, профессор Университета Торонто, специализирующийся на экспериментальной квантовой физике.
Хотя термин «отрицательное время» может звучать как концепция, взятая из научной фантастики, Стейнберг защищает его использование, надеясь, что он вызовет более глубокие дискуссии о тайнах квантовой физики.
Лазерные эксперименты
Много лет назад команда начала изучать взаимодействие между светом и материей.
Когда частицы света, или фотоны, проходят через атомы, некоторые из них поглощаются атомами, а затем снова излучаются. Это взаимодействие изменяет атомы, временно переводя их в более высокоэнергетическое или «возбужденное» состояние, прежде чем они вернутся в нормальное.
В исследовании, проведенном под руководством Даниэлы Ангуло, команда задалась целью измерить, как долго эти атомы остаются в возбужденном состоянии. «Это время оказалось отрицательным», — пояснил Штейнберг, — «то есть меньше нуля».
Чтобы наглядно представить эту концепцию, представьте себе автомобили, въезжающие в туннель: до эксперимента физики признавали, что, хотя среднее время въезда для тысячи автомобилей может быть, например, в полдень, первые машины могут выехать немного раньше, скажем, в 11:59 утра. Раньше этот результат считался бессмысленным.
То, что продемонстрировали Ангуло и её коллеги, было сродни измерению уровня угарного газа в тоннеле после появления первых машин и обнаружению того, что перед показаниями стоит знак минус.
Относительность не нарушена
На оптимизацию экспериментов, проводившихся в захламленной подвальной лаборатории, изобилующей проводами и устройствами в алюминиевой оболочке, ушло более двух лет. Лазеры, которые использовались, должны были быть тщательно откалиброваны, чтобы не исказить результаты.
Тем не менее, Стейнберг и Ангуло поспешили уточнить: никто не утверждает, что путешествия во времени возможны. «Мы не хотим сказать, что что-то путешествовало назад во времени», — говорит Стейнберг. «Это неправильная интерпретация».
Объяснение кроется в квантовой механике, где частицы вроде фотонов ведут себя неопределенно, вероятностно, а не следуют строгим правилам.
Вместо того чтобы придерживаться фиксированных сроков поглощения и переизлучения, эти взаимодействия происходят по целому спектру возможных длительностей, некоторые из которых не соответствуют обыденной интуиции.
По словам исследователей, это не нарушает теорию специальной относительности Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться быстрее света. Эти фотоны не несут никакой информации, обходя любые космические ограничения скорости.
Открытие, вызвавшее разногласия
Концепция «отрицательного времени» вызвала как восхищение, так и скептицизм, особенно со стороны видных представителей научного сообщества.
Немецкий физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, например, раскритиковала работу в видеоролике на YouTube, который посмотрели более 250 000 человек, отметив: «Отрицательное время в этом эксперименте не имеет ничего общего с течением времени — это просто способ описать, как фотоны проходят через среду и как смещаются их фазы».
Ангуло и Стейнберг ответили на это, заявив, что их исследование устраняет важнейшие пробелы в понимании того, почему свет не всегда движется с постоянной скоростью.
Стейнберг признал, что вокруг провокационного заголовка их статьи разгорелись споры, но отметил, что ни один серьезный ученый не оспорил результаты эксперимента.
«Мы сделали свой выбор в пользу плодотворного, на наш взгляд, способа описания результатов», — сказал он, добавив, что, хотя практическое применение остается труднодостижимым, полученные результаты открывают новые пути для изучения квантовых явлений.
«Честно говоря, я не представляю, как можно перейти от того, что мы рассматривали, к практическому применению», — признался он. «Мы будем продолжать думать об этом, но я не хочу обнадеживать людей».
