«Эксперимент занял много времени, но показал, что фотоны могут воздействовать на атомы таким образом, что будет казаться, будто они находятся в возбужденном состоянии отрицательное количество времени», — сообщил Эфраим Штейнберг, один из исследователей в сети Х. Статья с описанием эксперимента была выложена на сайте arXiv.org.

Идея этого эксперимента появилась в 2017 году, когда Штейнберг и его коллега Джозайя Синклер заинтересовались феноменом возбуждения атома: когда фотоны проходят через среду и поглощаются, электроны, которые кружат вокруг атомов, переходят на более высокий энергетический уровень. Когда они возвращаются в прежнее состояние, они выделяют поглощенную энергию в виде переизлученных фотонов. Отсюда возникает временная задержка в наблюдаемом движении света через среду.

Команда Синклера хотела измерить эту задержку и понять, зависит ли она от того, что произошло в среде с фотоном: был ли он поглощен атомным облаком или прошел сквозь него без помех? Для этого был спланирован и проведен эксперимент, который заключался в стрельбе фотонами сквозь облако охлажденных атомов рубидия и измерении уровня возбуждения атомов.

Результаты показали два поразительных явления, сообщает Scientific American.

Первое: иногда фотоны проходят невредимыми, но атомы рубидия все равно возбуждаются — и это продолжается как раз столько, сколько это заняло бы, если бы они поглотили эти фотоны. Второе: при поглощении фотоны, как кажется, переизлучаются почти мгновенно, задолго до того, как атомы рубидия возвращаются к своему основному состоянию. Как если бы фотоны покидали атомы в среднем быстрее, чем предполагалось.

Новый член команды, австралийский физик Говард Уайзман предложил теоретическое объяснение. Согласно ему, эти переданные фотоны проводили в состоянии атомного возбуждения то время, которое в точности равно групповой задержке света — даже в тех случаях, когда казалось, будто фотоны переизлучаются до прекращения возбуждения атомов.

Попытаться понять этот феномен можно, если представить фотоны как странные квантовые объекты, в которых процесс поглощения и переизлучения через возбуждение атомов не обязательно происходит за равный отрезок времени.

Скорее, оно происходит в пределах размытого, вероятностного диапазона временных значений. И, как показал эксперимент, этот диапазон может включать состояния, когда время прохода отдельного фотона оказывается нулевым или отрицательным.

Последующий эксперимент подтвердил эту гипотезу Уайзмана. Данные измерений показали, что когда фотоны были возбуждены атомами, они двигались через среду быстрее, чем когда атомы оставались в основном состоянии. Поскольку фотоны не переносили никакой информации, этот результат не противоречит ограничению специальной теории относительности: «ничто не может двигаться быстрее скорости света».

«Отрицательная временная задержка кажется парадоксальной, но она означает следующее: если вы сделали „квантовые“ часы для измерения времени, которое атомы тратят в состоянии возбуждения, рука с часами может, при определенных обстоятельствах, перемещаться во времени назад, а не вперед», — сказал Синклер.

Другими словами, время, за которое фотоны поглощаются атомами, является отрицательным значением.