Nyt kvanteeksperiment viser, at tiden kan være 'negativ'

Når det kommer til kvantefysikken, som beskriver verden på niveau med atomer og elementarpartikler, synes alt at modsige vores sædvanlige forståelse af virkeligheden. Ikke desto mindre har dette område af videnskabelig forskning længe været fast etableret i hverdagen, og videnskabsmænd fortsætter med at opdage nye fantastiske fænomener. For nylig har en forskergruppe fra University of Toronto (Canada) og Griffith University (Australien) eksperimentelt bevist, at fotoner – lyskvanter – kan bruge en «negativ mængde tid» i en sky af atomer. Den nye opdagelse udfordrer den nuværende forståelse af, hvordan lys interagerer med stof og har fundamentale implikationer for videnskaben.

Et nyt eksperiment udfordrer vores forståelse af, hvordan lys interagerer med stof. Billede: scientificamerican.com

Fotos– masseløse partikler, der producerer synligt lys – kan absorberes af de atomer, de passerer igennem.

Indhold

• 1 fotoner i en sky af atomer < /li>
• 2 Hvordan forløb eksperimentet?
• 3 Kvanteeffekter
• 4 Hvorfor er dette vigtigt?

Fotoner i en sky af atomer

Et hold fysikere har netop opdaget et mystisk kvantefænomen kaldet negativ tid. Avisen, offentliggjort på preprint-serveren ArXiv, fastslår, at forskere observerede fotoner, der udviste mærkelig timing-adfærd som følge af såkaldt atomisk excitation. Lad os huske på, at udtrykket «spænding» i fysik, forklarer overgangen af ​​en partikel fra en jordenergitilstand til en tilstand med højere energi.

For at sige det lidt mere enkelt, så har fysikere opdaget, at fotoner fysisk forlader mediet, før de kommer ind i det. Dette virker paradoksalt, men virkningerne af fænomenet forklares af kvantemekanikkens særegenheder. Således har en international forskergruppe eksperimentelt bevist et fantastisk fænomen: en foton, der passerer gennem en sky af atomer, tilbringer “negativ tid” der.

Fysikere har for første gang målt den negative opholdstid for en foton i en sky af atomer. Billede: newscientist.com

For at forstå resultaterne af undersøgelsen bemærker vi, at når lys passerer gennem et materiale, bliver det i de fleste tilfælde der i nogen tid – dette fysikfænomen kaldes positiv “gruppeforsinkelse”. Det menes at være relateret til, hvor meget tid fotonen tilbringer i en exciteret tilstand inde i materialets atomer.

Læs også: Fysikere observerede antihyperbrint-4 for første gang. Vi fortæller dig, hvad det er

Men i nogle tilfælde, især når lysets frekvens er tæt på atomernes resonansfrekvens, kan gruppeforsinkelsen blive negativ. Det betyder, at toppen af ​​udgangslysimpulsen optræder tidligere end uden mediet, hvilket dog ikke indebærer en krænkelse af årsag-virkningsforhold eller tidsrejser.

Fænomenet i sig selv er forbundet med kvanteinterferenseffekter og mediets spredningsegenskaber og har længe været betragtet som paradoksale, hvilket har forårsaget en masse kontroverser i det akademiske samfund.

Hvordan fandt eksperimentet sted?

I eksperimentet brugte holdetcross-Kerr-effekten—som refererer til den ikke-lineære interaktion mellem to lysfelter i et medium, hvor det ene felt påvirker brydningsindekset for det andet – til at måle graden af ​​atomare excitation forårsaget af en forbipasserende foton. p>

Fysikerne brugte to laserstråler: en “signalstråle”, svage sammenhængende lysimpulser med et lille gennemsnitligt antal fotoner og en “sondestråle”, svag og frekvensforskudt. Denne tilgang gør det muligt for videnskabsmænd at udføre statistisk analyse.

Når en signalstråle af fotoner passerede gennem en sky af rubidiumatomer afkølet til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt, exciterede den kortvarigt atomerne, så de kunne måle fasen skifte og bestemme, hvor længe fotonerne «udførte» i atomer.

Fotonen er forsinket i en sky af ultrakolde rubidiumatomer i en «negativ tid». Billede: newscientist.com

Resultaterne af eksperimentet viste, at den gennemsnitlige tid for excitation af atomer for et nærlys af fotoner kan være negativ. Dette betyder, at effekten af ​​fotoner, der interagerer med atomer, fører til en reduktion i den tid, atomer tilbringer i en exciteret tilstand (sammenlignet med ingen interaktion).

Den negative tidsforsinkelse af fotoner i det atomare miljø kan virke paradoksalt, men det betyder, at hvis man skaber «kvante» ur for at måle den tid, atomer bruger i en ophidset tilstand, vil urviseren bevæge sig bagud i stedet for frem under visse forhold, forklarer Josiah Sinclair fra University of Toronto, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Forfatterne til det nye studie udførte også eksperimenter med forskellige pulsvarigheder og optiske tætheder af skyen og fandt ud af, at den gennemsnitlige excitationstid for atomer forårsaget af den transmitterede stråle af fotoner svarer til gruppeforsinkelsen.

Læs selv flere interessante artikler på vores Yandex Zen – artikler, der regelmæssigt udgives der, som ikke er på webstedet.

Kvanteeffekter

Den nye opdagelse har vigtige konsekvenser for grundlæggende fysik. Faktum er, at den negative opholdstid for fotoner i atomer udfordrer traditionelle ideer om årsag-og-virkning-forhold og kan føre til en revision af nogle aspekter af kvanteoptikken og teorien om bølgeudbredelse i medier med unormal spredning.

Det er vigtigt at bemærke, at fysiske love ikke overtrædes: Den negative gruppeforsinkelse skyldes kvanteinterferenseffekter og spredningsegenskaber af mediet og ikke den faktiske acceleration af fotoner. Superposition og kvanteeffekter spiller imidlertid en nøglerolle i forståelsen af ​​det observerede fænomen.

Et mærkeligt nyt kvanteeksperiment er lidt ligesom en tidsrejse. Billede: scientificamerican.com

Husk på, at i en superpositionstilstand kan kvantepartikler såsom fotoner være i to forskellige tilstande på samme tid. For en detektor, der måler tidspunktet for ind- og udgang af fotoner fra et medie, betyder det, at fotoner kan producere både positive og negative tidsværdier, hvilket fører til begrebet «negative» tid.

Dette er interessant: Fysikere har observeret det sjældne henfald af Higgs-bosonen for første gang. Hvorfor er det vigtigt?

Hvorfor er det vigtigt?

Resultaterne opnået i undersøgelsen viste, at negative tidsværdier (såsom gruppeforsinkelse) har endybere fysisk betydningend hidtil antaget, hvilket kan føre til et gennembrud inden for kvanteteknologier, hvis grundlag er samspillet mellem lys og stof.

Forfatterne bemærkede, at de var slået af manglen på konsensus blandt eksperter om, hvad der sker med en individuel foton under forsinkelsen.

Den negative tidseffekt kan finde anvendelse inden for højhastighedsoptik. Billede: ixbt.site

Gå ikke glip af: Fysikere arbejder på en ny teori om tyngdekraften – hvilken rolle spiller mørkt stof i det?

Den observerede negative tid af en stråle af fotoner, der passerer gennem en sky af ultrakolde atomer ændrer ikke vores sædvanlige forståelse af tid, men selve opdagelsen er overraskende, og fremtidig forskning på dette område kan føre til skabelsen af ​​nye teknologier.< /p>