Канадские квантовые физики обнаружили существование эффекта «отрицательного времени» при изучении фотонов — волновых частиц света. Исследование опубликовано на портале нерецензированных научных материалов arXiv.
Как показали наблюдения, фотоны тратят отрицательное количество времени во время движения через облако охлажденных атомов. Это значит, что частицы каким-то образом успевают покинуть материал еще до того, как они войдут в него.
Выводы команды основаны на экспериментах со взаимодействием света и материи при эффекте, называемым «атомным возбуждением». Когда фотоны проходят через среду и поглощаются, электроны на орбитах атомов этой среды переходят на более высокие энергетические уровни.
Когда эти возбужденные электроны возвращаются в исходное состояние, они возвращаются в исходное состояние, высвобождая энергию в виде переизлученных фотонов. Это вносит временную задержку в наблюдаемое время прохождения света через среду.
Ученые решили измерить временную задержку и узнать, зависит ли она от состояния самого фотона: был ли он рассеян и поглощен облаком атомов, или миновал его без взаимодействий.
Эксперименты включали выстреливание фотонов через облако ультрахолодных атомов рубидия и измерение полученной степени возбуждения атомов.
В ходе тестов возникло две неожиданности: иногда фотоны проходили целыми, но атомы рубидия все равно возбуждались и оставались в этом состоянии так же долго, как если бы они поглотили эти фотоны.
Кроме того, при поглощении фотонов они почти мгновенно переизлучались. Это происходило задолго до того, как атомы рубидия возвращались в исходное состояние.
По словам исследователей, подобный эффект обусловлен квантовыми свойствами фотона, которые существуют в вероятностном диапазоне временных значений. Эта квантовая размытость может приводить к тому, что частицы покидают материал до того, как они в него попали.
«Отрицательная задержка времени может показаться парадоксальной, но это означает, что если вы построите «квантовые» часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, то при определенных обстоятельствах стрелка часов будет двигаться назад, а не вперед», — отметили физики.
Ранее ученые впервые создали одномерный квантовый газ из чистого света.