فیزیکدانان زمان منفی را در آزمایش کوانتومی ثبت کردند

دانشمندان در آزمایشی عجیب و بحث‌برانگیز در حوزه فیزیک کوانتومی موفق شده‌اند پدیده‌ای را اندازه‌گیری کنند که به‌نظر می‌رسد در آن فوتون‌ها زمان منفی را تجربه می‌کنند؛ یعنی ذرات نور پیش از آنکه وارد یک ابر اتمی شوند به‌طور میانگین از آن خارج می‌شوند. این پژوهش که نتایج آن در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده، نگاه تازه‌ای به رفتار زمان در جهان کوانتومی ارائه می‌دهد.

به گزارش برنا، در این آزمایش پژوهشگران فوتون‌ها را از میان ابری از اتم‌های روبیدیوم عبور دادند. اتم‌های روبیدیوم با فوتون‌ها در حالت رزونانس قرار می‌گیرند؛ به این معنا که انرژی فوتون می‌تواند برای مدت کوتاهی به اتم منتقل شود و سپس دوباره به‌صورت فوتون آزاد شود. این فرآیند باعث می‌شود فوتون برای مدتی درون ابر اتمی ساکن شود اما برای رخ دادن این رزونانس، فوتون باید انرژی بسیار دقیقی داشته باشد.

طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ هرچه انرژی فوتون دقیق‌تر مشخص باشد زمان حضور آن نامشخص‌تر خواهد بود. به همین دلیل فوتون در قالب یک پالس نوری طولانی حرکت می‌کند و زمان دقیق ورود آن به ابر اتمی قابل تعیین نیست هرچند می‌توان میانگین زمان ورود را اندازه‌گیری کرد.

پژوهشگران دریافتند بیشتر فوتون‌ها هنگام عبور از ابر اتمی پراکنده می‌شوند و در مسیر مستقیم به مقصد نمی‌رسند اما فوتون‌هایی که موفق می‌شوند مستقیما از ابر عبور کنند رفتاری عجیب از خود نشان می‌دهند: آنها زودتر از زمانی که انتظار می‌رود به سمت دیگر ابر می‌رسند؛ به‌قدری زود که محاسبات نشان می‌دهد این فوتون‌ها به‌طور میانگین زمانی منفی را درون ابر اتمی سپری کرده‌اند.

این پدیده نخستین بار دهه‌ها پیش و در آزمایشی در سال ۱۹۹۳ مشاهده شده بود، اما بسیاری از فیزیکدانان آن را صرفا یک خطای ظاهری ناشی از شکل پالس نور می‌دانستند. توضیح رایج این بود که فقط بخش ابتدایی پالس نوری موفق به عبور مستقیم می‌شود و همین موضوع باعث می‌شود فوتون زودتر دیده شود، نه اینکه واقعا زمان منفی را تجربه کرده باشد.

با این حال افریم استاینبرگ فیزیکدان دانشگاه University of Toronto و یکی از نویسندگان مطالعه سال ۱۹۹۳ تصمیم گرفت دوباره این موضوع را بررسی کند. او به همراه همکارانش تلاش کرد مستقیماً اندازه‌گیری کند که فوتون چه مدت به‌صورت برانگیختگی درون اتم‌های روبیدیوم باقی می‌ماند.

برای انجام این کار تیم پژوهشی از روشی موسوم به اندازه‌گیری ضعیف استفاده کرد؛ روشی که در آن اندازه‌گیری بدون برهم‌زدن شدید سیستم کوانتومی انجام می‌شود. در فیزیک کوانتومی اندازه‌گیری دقیق می‌تواند خود رفتار ذرات را تغییر دهد؛ پدیده‌ای که به اثر زنوی کوانتومی معروف است؛ بنابراین دانشمندان به‌جای اندازه‌گیری مستقیم و قوی از یک پرتو لیزر ضعیف استفاده کردند تا تنها تغییرات بسیار کوچک در حالت اتم‌ها را ثبت کنند.

در هر بار اجرای آزمایش داده‌ها بسیار مبهم بودند، اما پس از میلیون‌ها بار تکرار پژوهشگران توانستند زمان ماندگاری فوتون در ابر اتمی را با دقت محاسبه کنند. نتیجه شگفت‌آور بود: زمان به‌دست‌آمده دقیقا با همان زمان منفی مطابقت داشت که پیش‌تر از روی زمان رسیدن فوتون‌ها استنباط شده بود.

دانشمندان می‌گویند این یافته نشان می‌دهد زمان منفی صرفا یک خطای محاسباتی یا توهم ناشی از شکل پالس نور نیست بلکه اثری واقعی و قابل اندازه‌گیری در سیستم‌های کوانتومی به‌شمار می‌رود. البته پژوهشگران تاکید دارند این پدیده به معنای امکان سفر در زمان یا نقض قوانین فیزیک نیست و همچنان در چارچوب فیزیک استاندارد توضیح داده می‌شود.

به گفته محققان این آزمایش بار دیگر نشان می‌دهد جهان کوانتومی هنوز مملو از رفتار‌های ناشناخته و پارادوکس‌گونه‌ای است که می‌توانند درک انسان از مفاهیمی مانند زمان، اندازه‌گیری و واقعیت را به چالش بکشند.

انتهای پیام/