Foton wchodzi do chmury atomów rubidu i opuszcza ją, zanim jeszcze na dobre do niej wszedł. Brzmi to jak początek wyrafinowanego żartu z dziedziny fizyki, ale w warunkach laboratoryjnej komory próżniowej puenta okazuje się mierzalną rzeczywistością. Fizycy skutecznie zaobserwowali „czas ujemny” – zjawisko, w którym cząstki kwantowe wydają się spędzać czas o wartości mniejszej od zera na oddziaływaniu z materią. Choć brzmi to jak wyrok śmierci dla zasady przyczynowości, prawda jest jeszcze bardziej niezwykła: czas nie jest pojedynczą, prostą linią, a na poziomie kwantowym może on w rzeczywistości płynąć wstecz, nie łamiąc przy tym zasad rządzących wszechświatem.
Josiah Sinclair i jego zespół z University of Toronto nie próbowali zbudować TARDIS. Badali oni długoletnią zagadkę dotyczącą sposobu, w jaki światło oddziałuje z atomami. Kiedy foton przechodzi przez ośrodek, może zostać pochłonięty, wzbudzając elektrony w atomach do wyższego stanu energetycznego. Zazwyczaj występuje opóźnienie – maleńka, ułamkowa pauza – zanim ta energia zostanie wyemitowana ponownie jako nowy foton. Przez dziesięciolecia fizycy spierali się o to, jak długo trwa ta pauza. W eksperymencie Sinclaira odpowiedź okazała się liczbą ujemną.
Dla ludzkiego mózgu, który przetwarza czas jako serię „teraz” ułożonych niczym klocki Lego, czas ujemny jest niemożliwością. Jeśli spędzisz ujemne pięć minut w sklepie, powinieneś dotrzeć do domu, zanim z niego wyszedłeś. Jednak w świecie kwantowym cząstki nie mają określonych położeń ani ram czasowych; istnieją jako chmury prawdopodobieństwa. Kiedy naukowcy wystrzelili fotony przez lodowatą chmurę atomów rubidu, odkryli, że w pewnych przypadkach atomy były wzbudzane, a następnie wracały do stanu podstawowego, zanim foton w ogóle zakończył swoją podróż przez chmurę. Stoper nie tylko się zatrzymał – zaczął odliczać czas wstecz.
Pułapka rubidowa i kłamiący stoper
Eksperyment opierał się na technice znanej jako „słaby pomiar” (ang. weak measurement). W delikatnym świecie mechaniki kwantowej zbyt wnikliwa obserwacja cząstki zazwyczaj niszczy zachowanie, które próbujemy zbobserwować. Jeśli spróbujesz dokładnie określić położenie fotonu, wytrącisz go z kursu. Aby tego uniknąć, zespół użył drugiej wiązki lasera do sondowania atomów rubidu bez zakłócania fotonów przechodzących przez ośrodek. Nie mierzyli samego fotonu; mierzyli „wzbudzenie atomowe” – fizyczny ślad pozostawiony przez światło.
Odkryli statystyczną anomalię, która nie chciała zniknąć. Atomy rubidu reagowały tak, jakby fotony już przez nie przeszły, nawet gdy znaczna część impulsu świetlnego dopiero się zbliżała. Nie był to błąd sprzętu ani zabrudzenie soczewki. Fotony faktycznie spędzały ujemną ilość czasu wewnątrz atomów. Sugeruje to, że w określonych warunkach czas oddziaływania nie jest tylko zerem, ale wartością, która odejmuje się od całkowitego czasu podróży cząstki.
To nie pierwszy raz, kiedy nauka flirtuje z pomysłem, że światło może łamać barierę czasu. W 1993 roku głośny eksperyment zasugerował, że fotony mogą tunelować przez barierę z prędkością „nadświetlną”. Wówczas środowisko naukowe w dużej mierze odrzuciło te wyniki jako artefakt sposobu pomiaru fal. Argumentowano, że wykrywana była tylko czołowa krawędź impulsu świetlnego, co tworzyło iluzję prędkości. Praca Sinclaira dowodzi jednak, że czas ujemny jest namacalną, fizyczną właściwością samego oddziaływania, a nie tylko sztuczką światła.
Dlaczego wszechświat się nie rozpada
Jeśli cząstki mogą poruszać się w czasie ujemnym, nasuwa się natychmiastowe pytanie, czy możemy wysłać wiadomość tekstową do naszych przeszłych wersji. Krótka odpowiedź brzmi: nie, a powód leży w rozróżnieniu między „prędkością grupową” a „prędkością sygnału”. Chociaż pojedynczy foton może sprawiać wrażenie, że przeskakuje w czasie, nie można wykorzystać tego efektu do przesłania rzeczywistych informacji szybciej niż z prędkością światła. Wszechświat ma wbudowany kosmiczny limit prędkości, który chroni sekwencję przyczynowo-skutkową.
Wyobraź sobie impuls świetlny jako długi pociąg. „Czas ujemny” zaobserwowany w chmurze rubidu jest jak przód pociągu przyjeżdżający na stację, zanim tył pociągu zdążył ją opuścić. Nie można jednak umieścić pasażera (informacji) w tej „ujemnej” części podróży. Informacja – rzeczywista wiadomość – jest powiązana z ogólną strukturą fali, która nadal podlega prawom relatywistyki Einsteina. Można oszukać zegar za pomocą pojedynczej cząstki, ale nie da się oszukać narracji wszechświata.
Tworzy to fascynujące napięcie we współczesnej fizyce. Widzimy dowody na to, że w najmniejszych skalach czas jest „rozmyty”. Nie płynie jak rzeka; zachowuje się raczej jak migotliwe gorące powietrze, w którym przeszłość i przyszłość mogą się na chwilę nałożyć. Nie oznacza to, że przyczynowość nie istnieje; oznacza to tylko, że jest bardziej elastyczna, niż sądziliśmy. Czas ujemny zmierzony w Toronto jest właściwością kwantowej funkcji falowej, matematycznym opisem tego, gdzie cząstka może się znajdować, a nie fizycznym obiektem poruszającym się wstecz przez próżnię.
Koszt pożyczalnych sekund
Każdy przełom ma swoją cenę. W przypadku czasu ujemnego jest nią całkowita niepewność układu. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, nie można z idealną precyzją znać jednocześnie energii fotonu i dokładnego czasu jego pojawienia się. Zmuszając foton do oddziaływania z atomami rubidu w bardzo określony sposób, naukowcy wprowadzili poziom niepewności, który pozwala na istnienie tych ujemnych wartości matematycznie i fizycznie.
Istnieje również debata na temat tego, co w tym kontekście w ogóle oznacza „czas”. Czy czas to to, co wskazuje zegar, czy może sekwencja fizycznych zmian w atomach? Jeśli atomy wracają do swojego stanu początkowego, zanim wyzwalacz zakończy na nie oddziaływać, czy czas dla tych atomów faktycznie cofnął się? Niektórzy teoretycy twierdzą, że po prostu obserwujemy ograniczenia naszego własnego języka. Używamy słów takich jak „przed” i „po”, aby opisać rzeczywistość, która na fundamentalnym poziomie nie posługuje się takimi pojęciami.
To nie tylko akademickie rozważania. Zrozumienie czasu ujemnego i opóźnień kwantowych jest kluczowe dla następnej generacji technologii. Budując komputery kwantowe polegające na precyzyjnym timingu poszczególnych fotonów, wiedza o tym, jak te cząstki „pożyczają” czas z przyszłości, staje się kwestią inżynierii. Jeśli Twój procesor kwantowy oczekuje sygnału w nanosekundzie X, a cząstka zdecyduje się wyjść w nanosekundzie X minus jeden, całe obliczenie może upaść.
Czy kiedykolwiek będziemy mogli cofnąć się w czasie?
Choć fotony Sinclaira wykonują zlokalizowaną wersję podróży w czasie, rozszerzenie tego na obiekty wielkości człowieka pozostaje domeną science fiction. Sama złożoność utrzymania „stanu kwantowego” dla czegokolwiek większego niż atom jest astronomiczna. Aby wysłać człowieka w przeszłość, trzeba by utrzymać każdy atom w jego ciele w stanie superpozycji kwantowej, odizolowany od reszty wszechświata. W momencie wyjścia z maszyny czasu i dotknięcia cząsteczki powietrza, stan ten by się załamał, a Ty prawdopodobnie skończyłbyś jako chmura bardzo zdezorientowanych cząstek subatomowych.
Niemniej istnienie czasu ujemnego zmienia zasady dotyczące tego, co jest możliwe w komunikacji i sensorach dalekiego zasięgu. Jeśli potrafimy manipulować tymi opóźnieniami czasowymi, teoretycznie moglibyśmy budować sensory wyczulone na zdarzenia, zanim w pełni zamanifestują się one w naszej makrorzeczywistości. Jest to forma „kwantowej prekognicji” – wykrywanie śladu cząstki, zanim sama cząstka dotrze na miejsce.
Na razie czas ujemny pozostaje ciekawostką mikroświata. Przypomina nam, że nasze ludzkie postrzeganie świata – w którym zegary tykają tylko do przodu, a przeszłość jest niezmienna – to tylko powierzchowna iluzja. Pod powierzchnią rzeczywistości wszechświat jest znacznie bardziej chaotyczny, znacznie bardziej wzajemnie połączony i znacząco mniej zainteresowany kolejnością zdarzeń niż my. Być może nie będziemy mogli odwiedzić 1955 roku, ale oficjalnie udowodniliśmy, że przeszłość nie jest aż tak nieosiągalna, jak się wydaje.
Comments
No comments yet. Be the first!