Een nieuw experiment bevestigt dat fotonen die door een wolk van atomen gaan daar een negatieve hoeveelheid tijd kunnen doorbrengen, en dat de atomen zelf dat zeggen.
Fotonen door een wolk atomen
Wanneer een lichtstraal door een wolk van atomen gaat, lijken fotonen (lichtdeeltjes) daar soms een negatieve hoeveelheid tijd door te brengen, met andere woorden dat hetj licht de wolk lijkt te verlaten voordat het zelfs maar binnenkomt. Nu hebben natuurkundigen deze kwantumeigenaardigheid bevestigd door het aan de atomen zelf te vragen.
“Dit betekent niet dat we op het punt staan een tijdmachine of iets dergelijks te bouwen“, zegt co-auteur van het onderzoek Howard Wiseman, een theoretisch kwantumfysicus aan de Griffith Universiteit in Australië.
“Het kan allemaal worden begrepen met de standaardfysica, maar het is weer een rare eigenschap van quantum fysica die mensen niet vermoedden.“
Fotonen die door een atoomwolk gaan, kunnen tijdelijk worden geabsorbeerd. Ze verdwijnen als lichtdeeltjes en verschijnen opnieuw als atomaire excitaties — een soort opgeslagen energie — voordat ze opnieuw worden uitgezonden. Sommige fotonen, uitgezonden fotonen genoemd, komen door in ongeveer dezelfde richting als waarin ze terechtkwamen. Anderen verspreiden zich in willekeurige richtingen.
Experimenten die teruggaan tot 1993 hadden al laten doorschemeren dat uitgezonden fotonen de neiging hebben om bij een detector aan te komen voordat het centrum van hun eigen puls zelfs maar de wolk binnendringt. Dat impliceert een negatieve transittijd.
Maar er was een probleem met deze opstelling: fotonen aan de voorkant van een puls kwamen er mogelijk vaker door dan fotonen aan de achterkant. Als je alleen kijkt naar degenen die worden verzonden, lijken ze natuurlijk vroeg. Maar dit liet een eenvoudiger verklaring toe.
“Mensen overtuigden zichzelf ervan dat dit eigenlijk niet zo gek is als het klinkt“, vertelde Wiseman.
Bevestiging
In een nieuw artikel gepubliceerd op 13 april in het tijdschrift Physical Review Letters, probeerden natuurkundigen een andere aanpak. In plaats van te kijken wanneer een foton bij een detector arriveerde, hielden ze in de gaten of de atomen zich in een aangeslagen toestand bevonden terwijl het foton er doorheen ging.
Wanneer een foton door een atoom wordt geabsorbeerd, wordt het opgeslagen als energie, waardoor het atoom in een een aangeslagen toestand (zoals natuurkundigen dat noemen) terechtkomt. Het atoom blijft in deze aangeslagen toestand totdat het het foton opnieuw uitzendt. Daarom laat het meten van de duur van de aangeslagen toestand van het atoom zien hoe lang het foton door het atoom werd geabsorbeerd.
Het team mat dit met behulp van een tweede lichtstraal, die een kleine faseverschuiving oppikte, afhankelijk van de excitatieniveaus van de atomen. De lichtbundel fungeerde als een live uitlezing van wat de atomen van moment tot moment ervoeren. Deze atomaire uitlezing bevestigde de kwantumgekte van de eerdere experimenten.
“Je krijgt hetzelfde antwoord als je de atomen vraagt: ‘Hoe lang bleef het foton bij je?‘” Wiseman zei. “Ze zullen je ook als antwoord een negatief moment vertellen.“
Een miljoen tests
Dat antwoord krijgen was niet eenvoudig, omdat juist het meten van kwantum-systemen hun gedrag verstoort. In dit geval voorkomt de meting mogelijk dat het foton überhaupt kan worden geabsorbeerd. Het team gebruikte dus ‘zwakke metingen’, die zacht maar extreem ruisgevoelig zijn. Elke uitvoering van het experiment werd overspoeld door willekeurige fluctuaties in die ruis —, waardoor het onmogelijk werd om bij een individuele meting het signaal van ruis te onderscheiden. Pas na het gemiddelde te nemen van ongeveer 1 miljoen runs kwam er een duidelijk signaal naar voren. Over grofweg zeven sets experimentele parameters liep de duur van de totale gegevensverzameling op tot ongeveer 70 uur.
“Zelfs over dit heel eenvoudige ding — een foton dat interactie heeft met atomen —-waren mensen bijna 100 jaar geleden al berekeningen over aan het maken“, zei Wiseman. “Alleen al het feit dat het na al die tijd nog steeds verrassingen kan laten zien, is interessant.“
Het volgende doelwit van het team zijn de fotonen die de cloud niet halen. De theorie voorspelt dat deze verstrooide fotonen extra positieve excitatietijd met zich meebrengen. Dat is voldoende om de negatieve tijd van de doorgelaten exemplaren in evenwicht te brengen, waardoor het algemene gemiddelde voor de lichtbundel op nul of hoger blijft. Die voorspelling is nog nooit getest.
