В 2022 году физики из Университета Торонто (Канада) обнаружили, что когда фотон, проходящий через облако атомов, возбуждает электрон в одном из атомов, он, по-видимому, проводит в этом атомном возбуждении столько же времени, сколько фотон, проходящий напрямую через облако, вообще не возбуждая атом.

Для того чтобы разобраться в этом феномене, ученые под руководством Эфраима Стейнберга объединились с коллегами из США, Австралии и Индии. Вместе они разработали экспериментальную платформу, которую описали в статье журнала APL Quantum. Она включает отправку одного фотона в атомное облако, за которым непрерывно наблюдает так называемый «слабый зонд», следящий за наличием атомного возбуждения в любой точке облака. Сигнал слабого зонда позволяет определить, как долго фотон находится в возбужденном атомном состоянии, прежде чем покинуть атом.

После анализа данных исследователи сформулировали предсказание, которое удивило даже их самих: среднее время возбуждения может быть отрицательным. Также они обнаружили, что время возбуждения должно совпадать с так называемым групповым временем задержки, пишет Physics World.

Тем не менее, эти два времени важно различать. Отрицательное групповое время задержки можно объяснить относительно интуитивно. Поскольку фронт фотонного импульса покидает атомное облако до того, как в него входит пик импульса, а пик никогда не покидает его, и поскольку большая часть фотонов рассеивается, кажется, будто фотоны покидают среду до того, как они туда попадают.

Однако, созданная учеными платформа измеряет время, которое отправленный фотон проводит в атомном облаке. Она ничего не говорит о том, возбуждает ли такой фотон атом на своем пути через облако. Хотя обычно предполагается, что любой фотон, возбуждающий атом, случайным образом рассеивается и никогда не достигает детектора, исследователи выяснили, что это неверно.

«Теперь мы утверждаем, что это не так, и пряморассеянные фотоны на самом деле вносят большой вклад в усредненное измерение», — сказал Говард Уайзман, ведущий теоретик команды.

Ради проверки этой гипотезы ученые провели новый эксперимент, в котором два встречных лазерных луча направляются в облако атомов изотопов рубидия, охлажденных до 60–70 микрокельвинов. Первый луч содержит фотоны, которые могут вызывать возбуждение атомов, и может быть как передан, так и рассеян. Второй луч используется для слабых измерений и обнаруживает наличие возбуждения по крошечным сдвигам своей фазы.

После усовершенствования системы исследователи измерили среднее время возбуждения атомов для переданных фотонов в диапазоне от (–0,82 ± 0,31)𝜏0 для наиболее узкополосного импульса до (0,54 ± 0,28)𝜏0 для наиболее широкополосного. Значение 𝜏0 — это усредненное время возбуждения, которое всегда положительно и варьируется от 10 до 20 нс в зависимости от различных параметров.

Результат показал, что отрицательное время возбуждения действительно имеет физическую реальность в квантовых измерениях.

Хотя ученые и раньше знали, что в математических расчетах могут появляться отрицательные числа, они, как правило, игнорировали их, полагая, что они не имеют физического значения. «Теперь я вынужден вернуться к этому вопросу и сказать: эти отрицательные числа, по-видимому, имеют больше физического смысла, чем мы им приписывали», — сказал Эфраим Стейнберг, руководитель исследовательской группы.

В дальнейшем он планирует более глубоко исследовать, что в действительности означает «отрицательное время».