Όπως μας λέει ο Όμηρος, ο Οδυσσέας έκανε ένα επικό ταξίδι, κόντρα στις πιθανότητες, από την Τροία στην πατρίδα του την Ιθάκη. Επισκέφτηκε πολλές χώρες, αλλά κυρίως έζησε με τη νύμφη Καλυψώ στο νησί της. Μπορούμε να φανταστούμε ότι η σύζυγός του, η Πηνελόπη, θα τον είχε ρωτήσει για εκείνη τη συγκεκριμένη περίοδο. Ο Οδυσσέας θα μπορούσε να απαντήσει: «Δεν ήταν τίποτα. Στην πραγματικότητα ήταν λιγότερο από τίποτα. Μείον πέντε χρόνια έζησα με την Καλυψώ. Πώς αλλιώς θα μπορούσα να είχα φτάσει σπίτι μετά από μόλις δέκα χρόνια; Αν δεν με πιστεύετε, ρωτήστε την».
Τα κβαντικά σωματίδια, όπως αποδεικνύεται, είναι εξίσου πανούργα με τον Οδυσσέα, όπως έδειξε ένα πείραμα που δημοσιεύτηκε στο «Physical Review Letters». Όχι μόνο ο χρόνος άφιξής τους μπορεί να υποδηλώνει ότι παρέμειναν με άλλα σωματίδια για αρνητικό χρονικό διάστημα, αλλά και αν κάποιος ρωτήσει αυτά τα άλλα σωματίδια, θα επιβεβαιώσουν την ιστορία.
Το πείραμα χρησιμοποίησε φωτόνια (κβαντικά σωματίδια φωτός) και το ταξίδι ενάντια στις πιθανότητες που πρέπει να κάνουν για να περάσουν κατευθείαν μέσα από ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου. Αυτά τα άτομα έχουν «συντονισμό» με τα φωτόνια, που σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτονίου μπορεί να μεταφερθεί προσωρινά στα άτομα ως ατομική διέγερση. Αυτό επιτρέπει στο φωτόνιο να «κατοικεί» στο ατομικό νέφος για ένα χρονικό διάστημα προτού απελευθερωθεί.
Για να είναι αποτελεσματικός αυτός ο συντονισμός, το φωτόνιο πρέπει να έχει μια σαφώς καθορισμένη ενέργεια, η οποία να ταιριάζει με την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να τεθεί ένα άτομο ρουβιδίου σε διεγερμένη κατάσταση. Αλλά, σύμφωνα με μια μορφή της διάσημης Αρχής της Αβεβαιότητας του Heisenberg, εάν η ενέργεια του φωτονίου είναι σαφώς καθορισμένη τότε ο χρονισμός του πρέπει να είναι αβέβαιος: ο παλμός φωτός που καταλαμβάνει το φωτόνιο πρέπει να έχει μεγάλη διάρκεια. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ακριβώς πότε το φωτόνιο εισέρχεται στο νέφος, αλλά μπορούμε να γνωρίζουμε κατά μέσο όρο πότε εισέρχεται.
Αν ένα φωτόνιο εκτοξευθεί στο νέφος, το πιο πιθανό αποτέλεσμα είναι ότι η ενέργειά του θα μεταφερθεί στα άτομα και στη συνέχεια θα επανεκπεμφθεί ως φωτόνιο που θα ταξιδεύει σε τυχαία κατεύθυνση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το φωτόνιο διασκορπίζεται και δεν καταφέρνει να φτάσει στην Ιθάκη του.
Χρόνοι άφιξης
Αλλά αν το φωτόνιο τα καταφέρει κατευθείαν, συμβαίνει κάτι παράξενο. Με βάση τον μέσο χρόνο που το φωτόνιο εισέρχεται στο νέφος, μπορεί κανείς να υπολογίσει τον αναμενόμενο μέσο χρόνο που θα φτάσει στην άλλη πλευρά του νέφους, υποθέτοντας ότι ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός (όπως συνήθως κάνουν τα φωτόνια).
Αυτό που διαπιστώνει κανείς είναι ότι το φωτόνιο φτάνει, ουσιαστικά, πολύ νωρίτερα. Στην πραγματικότητα, φτάνει τόσο νωρίς που φαίνεται να έχει περάσει αρνητικό χρόνο μέσα στο νέφος – για να εξέλθει, κατά μέσο όρο, πριν να εισέλθει.
Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες και παρατηρήθηκε σε ένα πείραμα του 1993. Αλλά οι φυσικοί είχαν ως επί το πλείστον αποφασίσει να μην λάβουν σοβαρά υπόψη αυτόν τον αρνητικό χρόνο.
Αυτό μπορεί να εξηγηθεί λέγοντας ότι μόνο το πολύ μπροστινό μέρος του παλμού μεγάλης διάρκειας διαπερνά το ατομικό νέφος, ενώ το υπόλοιπο είναι σκεδασμένο. Αυτό οδηγεί σε ένα επιτυχημένο (μη σκεδασμένο) φωτόνιο που φτάνει νωρίτερα απ’ ό,τι θα αναμενόταν αφελώς.
Το πείραμα
Η λύση είναι να γίνει, αντ’ αυτού, μια πολύ ανακριβής (αλλά πολύ ακριβής βαθμονομημένη) μέτρηση. Αυτό είναι το τίμημα που καταβάλλεται για να διατηρηθεί η διαταραχή αμελητέα. Συγκεκριμένα, πυροδοτήσαμε μια ασθενή δέσμη λέιζερ -άσχετη με τον παλμό ενός φωτονίου- μέσα από το νέφος των ατόμων και μετρήσαμε μικρές αλλαγές στη φάση του φωτός της δέσμης για να διερευνήσουμε εάν τα άτομα ήταν διεγερμένα.
Οποιαδήποτε μεμονωμένη εκτέλεση του πειράματος δίνει μόνο μια πολύ γενική ένδειξη για το εάν το φωτόνιο παρέμεινε στα άτομα, αλλά ο μέσος όρος εκατομμυρίων εκτελέσεων αποδίδει έναν ακριβή χρόνο παραμονής. Παραδόξως, το αποτέλεσμα αυτής της ασθενούς μέτρησης του χρόνου παραμονής, όταν το φωτόνιο περνάει κατευθείαν μέσα από το νέφος, ισούται ακριβώς με τον αρνητικό χρόνο που υποδηλώνεται από τον μέσο χρόνο άφιξης των φωτονίων.
Πριν από τη συγκεκριμένη εργασία κανείς δεν υποψιαζόταν ότι αυτοί οι δύο χρόνοι, μετρημένοι με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, θα ήταν ίσοι. Είναι κρίσιμο να τονιστεί ότι η αρνητική τιμή του ασθενώς μετρημένου χρόνου παραμονής δεν μπορεί να εξηγηθεί θεωρώντας ότι μόνο το μπροστινό μέρος του παλμού του φωτονίου διέρχεται, σε αντίθεση με τον χρόνο που συνάγεται από τον χρόνο άφιξης.
Άρα, τι είναι όλα αυτά; Μήπως μια χρονομηχανή είναι προ των πυλών;
Δυστυχώς, όχι. Το πείραμά μας εξηγείται πλήρως από την καθιερωμένη φυσική. Αλλά δείχνει ότι ο αρνητικός χρόνος παραμονής δεν είναι ένα τεχνούργημα. Όσο παράδοξο κι αν φαίνεται, έχει μια άμεσα μετρήσιμη επίδραση στο ατομικό νέφος που διασχίζει το φωτόνιο. Και μας υπενθυμίζει ότι υπάρχουν ακόμη εδάφη τα οποία πρέπει να ανακαλύψουμε στην οδύσσεια της κβαντικής έρευνας.
*Ο κ. Γουάιζμαν είναι διευθυντής στο Κέντρο Κβαντικής Δυναμικής του Πανεπιστημίου Γκρίφιθ
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το «The Conversation» με άδεια Creative Commons.
Εφημερίδα Απογευματινή
