سفر در زمان و بازگشت به گذشته ایده ای است که بسیاری از فیزیکدانان آن را غیرممکن می دانند، اما نویسندگان داستان های علمی تخیلی تا کنون از همین ایده برای نوشتن فیلمنامه هزاران فیلم استفاده کرده اند. اما اگر واقعا بتوانید در جهت منفی محور زمان حرکت کنید چه؟ اخیراً گروهی از فیزیکدانان نشان دادند که طی یک سری آزمایشات، فوتون های مورد آزمایش می توانند خود را نشان دهند که ماده ای را قبل از ورود به آن ، کرده اند. این یک نمایش واقعی برای ارائه شواهد تجربی از زمان منفی است.

فیزیک کوانتومی مملو از پدیده‌های عجیب و غیرعادی است: اتم‌ها و مولکول‌ها گاهی مانند ذرات و گاهی به صورت امواج رفتار می‌کنند. از طریق آنچه به عنوان “عمل شبح وار در فاصله” شناخته می شود، ذرات را می توان حتی در فواصل بسیار دور به هم متصل کرد، و تعداد بی نهایت چیز عجیب دیگری ممکن است اتفاق بیفتد که ما هنوز چیزی در مورد آنها نمی دانیم.

اما اخیراً گروهی از محققان به سرپرستی دانیلا آنگولو از دانشگاه تورنتو به نتیجه عجیب دیگری رسیده اند: فوتون‌ها که امواج ذره‌ای نور هستند، هنگام عبور از اتم‌های بسیار سرد می‌توانند زمان منفی را تجربه کنند. به عبارت دیگر، فوتون‌ها ممکن است به نظر برسند که یک ماده را قبل از ورود به آن ، می‌کنند!

در همین راستا، افرایم اشتاینبرگ، فیزیکدان دانشگاه تورنتو، در پستی در شبکه اجتماعی X در مورد این مطالعه که ماه گذشته در arXiv.org بارگذاری شد (و هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است) نوشت:

در طول آزمایش، دیدیم که زمان در حال گذار است، به اصطلاح، زمان مثبت سپری شد، اما آزمایش ما نشان داد که فوتون‌ها می‌توانند باعث شوند اتم‌ها زمان منفی را در حالت برانگیخته بگذرانند.

ایده دیدن زمان منفی از کجا آمد؟

همانطور که توسط تیم سازنده این تحقیق اعلام شد، ایده انجام این تحقیق در سال 2017 شکل گرفت. در آن زمان استاینبرگ و همکارش جوزیا سینکلر، دانشجوی دکترا، علاقه مند به مطالعه برهمکنش نور و ماده بودند. این پروژه بر روی اثری به نام پدیده تحریک اتمی تمرکز داشت.

در این اثر، هنگامی که فوتون ها از ماده ای عبور می کنند و جذب آن می شوند، به امواجی تبدیل می شوند که باعث می شوند الکترون های اطراف اتم های ماده به سطوح انرژی بالاتر حرکت کنند. هنگامی که این الکترون های برانگیخته به حالت اولیه خود باز می گردند، انرژی جذب شده را به شکل فوتون های بازتابی آزاد می کنند و باعث ایجاد تاخیر در زمان عبور نور از ماده می شود.

تیم سینکلر می‌خواست این تاخیر زمانی (که گاهی اوقات به آن «تاخیر مجموعه» گفته می‌شود) را اندازه‌گیری کند و ببیند که آیا این تأخیر به سرنوشت فوتون بستگی دارد: آیا فوتون جذب شده و در ابر اتمی پراکنده شده است یا اینکه بدون دادن هیچ چیزی به راه خود ادامه می‌دهد. تعامل

سینکلر می گوید:

در آن زمان ما پاسخ آن را نمی دانستیم و احساس می کردیم که پاسخ به چنین سؤال اساسی در مورد چنین پدیده اساسی باید آسان باشد. اما هر چه با افراد بیشتری صحبت می‌کردیم، بیشتر متوجه می‌شدیم که اگرچه همه نظر یا حدس‌هایی دارند، اما بین کارشناسان درباره پاسخ صحیح اتفاق نظر وجود ندارد.

به دلیل ماهیت عجیب و غیرقابل درک این تأخیرهای زمانی، برخی از محققان این پدیده را بی معنی دانسته و آن را برای توصیف هر گونه ویژگی فیزیکی مرتبط با نور بی ارزش دانستند.

فرآیند آزمایش جالب برای دیدن زمان منفی

پس از سه سال برنامه ریزی، تیم سینکلر دستگاهی را برای آزمایش این سوال در آزمایشگاه دانشگاه تورنتو ساخت. آزمایش‌های آن‌ها شامل شلیک فوتون‌ها به ابری از اتم‌های روبیدیم بسیار سرد و اندازه‌گیری برانگیختگی اتمی ناشی از آن بود.

دو شگفتی از آزمایش پدیدار شد: گاهی اوقات فوتون ها بدون تأثیر از کنار آنها عبور می کردند، اما اتم های روبیدیم تا زمانی که فوتون ها را جذب می کردند برانگیخته می ماندند و برانگیخته می ماندند. حتی شگفت‌آورتر اینکه وقتی فوتون‌ها جذب شدند، آنها خیلی سریع‌تر از بازگشت اتم‌های روبیدیم به حالت اولیه‌شان دوباره گسیل شدند. خیلی زودتر از اینکه اتم های روبیدیم به حالت اولیه خود برگردند. در واقع، به نظر می رسید که فوتون ها به طور متوسط ​​زودتر از حد انتظار اتم ها را ، کردند.

ارائه این پدیده به قدری عجیب بود که سینکلر و تیمش قادر به تجزیه و تحلیل دقیق آن نبودند. این نقطه تاریک آنها را بر آن داشت تا برای یافتن توضیحی برای این پدیده با هوارد وایسمن، فیزیکدان نظری و کوانتومی از دانشگاه گریفیث استرالیا تماس بگیرند.

در نهایت، با همکاری ویزمن و تیم سینکلر، چارچوب نظری حاصل نشان داد که زمانی که این فوتون‌های ارسالی به عنوان برانگیختگی اتمی سپری می‌کنند، حتی در مواردی که به نظر می‌رسد فوتون‌ها قبل از فروپاشی تحریک اتمی منعکس شده‌اند، کاملاً با انتظارات مطابقت دارد. تاخیر گروهی نور.

توضیحی ساده از فرآیند نمایش زمان منفی با استفاده از فوتون

برای درک این نتیجه غیرعادی، می‌توانید فوتون‌ها را اجرام کوانتومی اسرارآمیزی در نظر بگیرید که جذب و انعکاس آنها در تحریک اتمی دقیقاً در یک دوره زمانی مشخص اتفاق نمی‌افتد. بلکه در وسیع ترین مقیاس ممکن رخ می دهد.

همانطور که آزمایش‌های این تیم نشان داده است، این دوره زمانی می‌تواند شامل مواردی باشد که زمان عبور فوتون تقریباً لحظه‌ای است، یا به طرز عجیبی، زمانی که فوتون قبل از پایان تحریک اتمی آزاد می‌شود، قابل مشاهده است. این شرط یعنی حرکت منفی در محور زمان ایجاد شده است!

در نهایت برای انجام تست‌های بهتر و دقیق‌تر، آزمایش‌هایی به نام تست‌های پیگیری ترتیب داده شد، اما حادثه عجیب قبلی دوباره رخ داد. اشتاینبرگ در مورد نتایج این آزمایش می گوید:

وقتی فوتون ارسالی را می بینید، نمی توانید بگویید کدام یک از این دو حالت رخ داده است. از آنجایی که فوتون ها ذرات کوانتومی هستند، این دو موقعیت می توانند به طور همزمان رخ دهند. متر در نهایت به حالت همزمان قرار می گیرد که یک مقدار صفر و یک مقدار مثبت را اندازه گیری می کند.

این همچنین به این معنی است که گاهی اوقات متر وارد حالتی می شود که به نظر می رسد “صفر” به علاوه “چیزی مثبت” نیست، بلکه شبیه “صفر” منهای “چیزی مثبت” است، که نتیجه آن چیزی است که به نظر می رسد یک مقدار منفی برای متر باشد. زمان هیجان.

نتایج آزمایش‌های آنگولو و همکارانش نشان می‌دهد که فوتون‌ها در زمان برانگیختگی اتم‌ها سریع‌تر از زمانی که در حالت پایه هستند، در ماده حرکت می‌کنند. (این فوتون ها حامل هیچ اطلاعاتی نیستند، بنابراین این نتیجه با محدودیت سرعت مشخص شده در نظریه نسبیت خاص اینشتین تناقض ندارد.)

زمان یعنی چه؟

سینکلر در این زمینه مثال جالبی می‌زند:

تأخیر زمانی منفی ممکن است غیرمعمول به نظر برسد، اما معنای آن این است که اگر یک ساعت کوانتومی برای اندازه‌گیری زمانی که اتم‌ها در حالت هیجانی می‌گذرانند بسازید، ساعت در برخی موارد به جای جلو، به عقب حرکت می‌کند. به عبارت دیگر زمان جذب فوتون توسط اتم ها منفی است.

اگرچه این پدیده شگفت‌انگیز است، اما بر درک ما از زمان در جهان بزرگ‌تر تأثیری ندارد. اما این یک بار دیگر نشان می دهد که دنیای کوانتومی هنوز پر از شگفتی است.