När det kommer till kvantfysiken, som beskriver världen på nivån av atomer och elementarpartiklar, verkar allt motsäga vår vanliga förståelse av verkligheten. Ändå har detta område av vetenskaplig forskning länge varit fast etablerat i vardagen, och forskare fortsätter att upptäcka nya fantastiska fenomen. Nyligen bevisade en forskargrupp från University of Toronto (Kanada) och Griffith University (Australien) experimentellt att fotoner – mängder av ljus – kan spendera en «negativ tid» i ett moln av atomer. Den nya upptäckten utmanar nuvarande förståelse för hur ljus interagerar med materia och har grundläggande implikationer för vetenskapen.
Ett nytt experiment utmanar vår förståelse av hur ljus interagerar med materia. Bild: scientificamerican.com
Foton– masslösa partiklar som producerar synligt ljus – kan absorberas av atomerna de passerar genom.
Innehåll
- 1 fotoner i en moln av atomer < /li>
- 2 Hur gick experimentet?
- 3 kvanteffekter
- 4 Varför är detta viktigt?
Fotoner i ett moln av atomer
Ett team av fysiker har precis upptäckt ett mystiskt kvantfenomen som kallas negativ tid. Tidningen, publicerad på preprint-servern ArXiv, säger att forskare observerade fotoner som uppvisade konstigt timingbeteende som ett resultat av så kallad atomexcitation. Låt oss komma ihåg att termen «spänning» i fysik, förklarar övergången av en partikel från ett markenergitillstånd till ett tillstånd med högre energi.
För att uttrycka det lite enklare, fysiker har upptäckt att fotoner fysiskt lämnar mediet innan de kommer in i det. Detta verkar paradoxalt, men effekterna av fenomenet förklaras av kvantmekanikens egenheter. Således har en internationell forskargrupp experimentellt bevisat ett fantastiskt fenomen: en foton, som passerar genom ett moln av atomer, tillbringar “negativ tid” där.
Fysiker har för första gången mätt den negativa uppehållstiden för en foton i ett moln av atomer. Bild: newscientist.com
För att förstå resultaten av studien noterar vi att när ljus passerar genom ett material, dröjer det i de flesta fall där under en tid – detta fysikfenomen kallas positiv “gruppfördröjning”. Det tros vara relaterat till hur mycket tid fotonen tillbringar i ett exciterat tillstånd inuti materialets atomer.
Läs också: Fysiker observerade antihyperväte-4 för första gången. Vi berättar vad det är
Men i vissa fall, särskilt när ljusets frekvens är nära atomernas resonansfrekvens, kan gruppfördröjningen bli negativ. Detta innebär att toppen av den utgående ljuspulsen uppträder tidigare än utan mediet, vilket dock inte innebär en kränkning av orsak-verkan-samband eller tidsresor.
Fenomenet i sig är förknippat med kvantinterferenseffekter och mediets spridningsegenskaper och har länge ansetts vara paradoxala, vilket orsakat en hel del kontroverser i det akademiska samfundet.
Hur gick experimentet till?
I experimentet använde teametcross-Kerr-effekten—som hänvisar till den olinjära interaktionen mellan två ljusfält i ett medium där ett fält påverkar det andras brytningsindex—för att mäta graden av atomär excitation orsakad av en passerande foton. p>
Fysikerna använde två laserstrålar: en “signalstråle”, svaga koherenta ljuspulser med ett litet genomsnittligt antal fotoner och en “sondstråle”, svag och frekvensförskjuten. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att utföra statistisk analys.
När en signalstråle av fotoner passerade genom ett moln av rubidiumatomer kylt till en temperatur nära absolut noll, exciterade den kortvarigt atomerna, vilket gjorde att de kunde mäta fasen skifta och bestäm hur länge fotonerna «utförde» i atomer.
Fotonen är försenad i ett moln av ultrakalla rubidiumatomer under en «negativ tid». Bild: newscientist.com
Resultaten av experimentet visade att den genomsnittliga tiden för excitation av atomer för ett halvljus av fotoner kan vara negativ. Detta betyder att effekten av fotoner som interagerar med atomer leder till en minskning av den tid som atomer spenderar i ett exciterat tillstånd (jämfört med ingen interaktion).
Författarna till den nya studien genomförde också experiment med olika pulslängder och optiska tätheter hos molnet och fann att den genomsnittliga excitationstiden för atomer som orsakas av den överförda strålen av fotoner motsvarar gruppfördröjningen.Den negativa tidsfördröjningen av fotoner i den atomära miljön kan tyckas paradoxalt, men det betyder att om du skapar «quantum» klocka för att mäta tiden atomer tillbringar i ett exciterat tillstånd, kommer klockvisaren att röra sig bakåt snarare än framåt under vissa förhållanden, förklarar Josiah Sinclair från University of Toronto, som inte var involverad i studien.
Läs t.o.m. fler intressanta artiklar på vår Yandex-kanal – artiklar som regelbundet publiceras där som inte finns på webbplatsen.
Kvanteffekter
Den nya upptäckten har viktiga konsekvenser för fundamental fysik. Faktum är att den negativa uppehållstiden för fotoner i atomer utmanar traditionella idéer om orsak-och-verkan-samband och kan leda till en översyn av vissa aspekter av kvantoptik och teorin om vågutbredning i media med onormal spridning.
Det är viktigt att notera att fysiska lagar inte överträds: den negativa gruppfördröjningen beror på kvantinterferenseffekter och spridningsegenskaper hos mediet, och inte på den faktiska accelerationen av fotoner. Superposition och kvanteffekter spelar dock en nyckelroll för att förstå det observerade fenomenet.
Ett konstigt nytt kvantexperiment är lite som tidsresor. Bild: scientificamerican.com
Kom ihåg att i ett superpositionstillstånd kan kvantpartiklar som fotoner vara i två olika tillstånd samtidigt. För en detektor som mäter tidpunkten för in- och utträde av fotoner från ett medium betyder det att fotoner kan producera både positiva och negativa tidsvärden, vilket leder till konceptet «negativ» tid.
Detta är intressant: Fysiker har observerat det sällsynta sönderfallet av Higgs-bosonen för första gången. Varför är detta viktigt?
Varför är detta viktigt?
Resultaten som erhölls i studien visade att negativa tidsvärden (som gruppfördröjning) har endjupare fysisk betydelseän man tidigare trott, vilket skulle kunna leda till ett genombrott inom kvantteknikområdet, vars grund är samspelet mellan ljus och materia.
Författarna noterade att de slogs av bristen på konsensus bland experter om vad som händer med en enskild foton under fördröjningen.
Den negativa tidseffekten kan användas inom höghastighetsoptik. Bild: ixbt.site
Missa inte: Fysiker arbetar på en ny teori om gravitation – vilken roll spelar mörk materia i den?
Den observerade negativa tiden för en stråle av fotoner som passerar genom ett moln av ultrakalla atomer förändrar inte vår vanliga förståelse av tid, men själva upptäckten är överraskande, och framtida forskning inom detta område kan leda till skapandet av ny teknik.< /p>