“الزمن السلبي” موجود بالفعل، كما تشير التجارب الجديدة: ScienceAlert

كما يخبرنا هوميروس، قام أوديسيوس برحلة ملحمية، رغم الصعاب، من طروادة إلى منزله في إيثاكا. زار العديد من الأراضي، لكنه عاش في الغالب مع الحورية كاليبسو على جزيرتها.

يمكننا أن نتخيل أن زوجته، بينيلوب، كانت ستسأله عن ذلك الوقت بالذات. كان من الممكن أن يجيب أوديسيوس: “لم يكن شيئًا. في الواقع، كان أقل من لا شيء. لقد عشت مع كاليبسو لمدة خمس سنوات سلبية. وإلا كيف يمكن أن أعود إلى المنزل بعد عشر سنوات فقط؟ إذا كنت لا تصدقني، اسألها”.

لقد اتضح أن الجسيمات الكمومية مراوغة تمامًا مثل أوديسيوس، كما أظهرنا في هذا المقال تجربة نشرت في رسائل المراجعة البدنية.

لا يمكن أن يشير وقت وصولهم فقط إلى أنهم سكنوا مع جسيمات أخرى لفترة زمنية سلبية، ولكن إذا سأل المرء تلك الجسيمات الأخرى، فسوف يؤكدون القصة.

الفوتونات تسكن مع الذرات

استخدمت تجربتنا الفوتونات – وهي جسيمات كمية من الضوء – والرحلة المعاكسة التي يجب أن تقوم بها هذه الجسيمات للمرور مباشرة عبر سحابة من ذرات الروبيديوم.

هذه الذرات لها “رنين” مع الفوتونات، مما يعني أن طاقة الفوتون يمكن أن تنتقل مؤقتًا إلى الذرات كإثارة ذرية. وهذا يسمح للفوتون “بالسكن” في السحابة الذرية لبعض الوقت قبل إطلاقه.

لكي يكون هذا الرنين فعالًا، يجب أن يمتلك الفوتون طاقة محددة جيدًا، تتوافق مع كمية الطاقة المطلوبة لوضع ذرة الروبيديوم في حالة مثارة.

ولكن، من خلال شكل من أشكال هايزنبرغ الشهيرة مبدأ عدم اليقينإذا كانت طاقة الفوتون محددة جيدًا، فيجب أن يكون توقيتها غير مؤكد: يجب أن تكون نبضة الضوء التي يشغلها الفوتون طويلة الأمد. هذا يعني أننا لا نستطيع أن نعرف بالضبط عندما يدخل الفوتون السحابة، ولكن يمكننا أن نعرف في المتوسط عندما يدخل.

إذا تم إطلاق فوتون مثل هذا إلى السحابة، فإن النتيجة الأكثر ترجيحًا هي أن طاقته ستنتقل إلى الذرات، ثم يعاد انبعاثها كفوتون يتحرك في اتجاه عشوائي. في مثل هذه الحالات، يتبدد الفوتون، ويفشل في الوصول إلى إيثاكا.

أوقات وصول الفوتون

ولكن إذا نجح الفوتون في عبوره مباشرة، فسيحدث شيء غريب.

بناءً على متوسط ​​الوقت الذي يدخل فيه الفوتون السحابة، يمكن للمرء حساب متوسط ​​الوقت المتوقع الذي سيصل فيه إلى الجانب البعيد من السحابة، على افتراض أنه ينتقل بسرعة الضوء (كما تفعل الفوتونات عادة).

ما يجده المرء هو أن الفوتون يصل بالفعل في وقت أبكر من ذلك بكثير. في الواقع، تصل في وقت مبكر جدًا بحيث يبدو أنها قضت قدرًا سلبيًا من الوقت داخل السحابة – للخروج، في المتوسط، قبل دخولها.

وهذا التأثير معروف منذ عقود وقد لوحظ في تجربة عام 1993. لكن الفيزيائيين قرروا في الغالب عدم أخذ هذا الوقت السلبي على محمل الجد.

ذلك لأنه يمكن تفسير ذلك بالقول إن الجزء الأمامي من النبضة طويلة الأمد فقط هو الذي يجعلها مستقيمة عبر السحابة الذرية، بينما الباقي متناثر. يؤدي هذا إلى وصول فوتون ناجح (غير مبعثر) في وقت أبكر مما كان متوقعًا بسذاجة.

يسأل الذرات

ومع ذلك، لم يكن إفرايم شتاينبرج، أحد مؤلفي تلك الورقة البحثية عام 1993، سريعًا في قبول هذا الرفض للوقت السلبي باعتباره قطعة أثرية.

أراد في مختبره بجامعة تورنتو معرفة ما يحدث إذا استفسر أحد عن ذرات الروبيديوم الموجودة في السحابة لمعرفة المدة التي قضاها الفوتون في السكن بينها كإثارة.

بعد الأولي تجربة مع نتائج غير حاسمةلقد طلب مني، باعتباري عالمًا في نظرية الكم، المساعدة في تحديد ما يمكن توقعه.

عندما نتحدث عن الاستعلام عن الذرات، فإن ما يعنيه هذا عمليًا هو إجراء قياسات مستمرة على الذرات أثناء مرور الفوتون عبر السحابة، لمعرفة ما إذا كانت طاقة الفوتون تسكن هناك حاليًا.

ولكن هناك دقة هنا: القياسات في فيزياء الكم تؤدي حتماً إلى إزعاج النظام الذي يتم قياسه.

إذا أردنا إجراء قياس دقيق لمعرفة ما إذا كان الفوتون يسكن في الذرات، في كل لحظة من الزمن، فإننا نمنع الذرات من التفاعل مع الفوتون.

يبدو الأمر كما لو أننا، بمجرد مراقبة كاليبسو عن كثب، سنمنعها من وضع يديها على أوديسيوس (أو العكس). هذا هو المعروف تأثير زينو الكميمما من شأنه أن يدمر الظاهرة ذاتها التي نريد دراستها.

تجربتنا

الحل هو إجراء قياس غير دقيق للغاية (ولكن معايرته بدقة شديدة). هذا هو الثمن المدفوع لإبقاء الاضطراب ضئيلًا.

وعلى وجه التحديد، أطلقنا شعاع ليزر ضعيفًا – لا علاقة له بنبضة فوتون واحدة – عبر سحابة الذرات، وقمنا بقياس التغيرات الصغيرة في طور ضوء الحزمة لمعرفة ما إذا كانت الذرات مثارة أم لا.

إن أي إجراء فردي للتجربة لا يعطي سوى مؤشر تقريبي للغاية حول ما إذا كان الفوتون يسكن الذرات، ولكن متوسط ​​ملايين مرات التشغيل يؤدي إلى وقت بقاء دقيق.

ومن المثير للدهشة أن نتيجة هذا القياس الضعيف لوقت المكوث، عندما يمر الفوتون مباشرة عبر السحابة، تساوي بالضبط الوقت السلبي الذي يقترحه متوسط ​​وقت وصول الفوتونات.

قبل عملنا، لم يكن أحد يشك في أن هذين الزمنين، إذا تم قياسهما بطرق مختلفة تمامًا، سيكونان متساويين.

والأهم من ذلك، أن القيمة السلبية لوقت المكوث الذي تم قياسه بشكل ضعيف لا يمكن تفسيرها من خلال تخيل أن الجزء الأمامي من نبضة الفوتون فقط هو الذي يمر عبرها، على عكس الوقت المستنتج من وقت الوصول.

متعلق ب: الساعات الذرية يمكن أن تكشف عن الطبيعة الكمومية الخفية للوقت نفسه

إذن ماذا يعني كل هذا؟ هل آلة الزمن قاب قوسين أو أدنى؟

للأسف، لا. تم شرح تجربتنا بالكامل بواسطة الفيزياء القياسية.

لكنه يظهر أن وقت المكوث السلبي ليس قطعة أثرية. ومهما بدا الأمر متناقضًا، إلا أن له تأثيرًا مباشرًا يمكن قياسه على السحابة الذرية التي يجتازها الفوتون.

ويذكرنا أنه لا تزال هناك أراضٍ يجب اكتشافها في ملحمة البحث الكمي.

هوارد وايزمان، مدير مركز ديناميكا الكم، جامعة جريفيث

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.