محققان در یک آزمایش کوانتومی شگفت‌انگیز نشان دادند نور در عبور از ماده زمان منفی را سپری می‌کند!

محققان در آزمایشی عجیب، زمان منفی را نشان دادند. به گفته آن‌ها، ذرات نور می‌توانند هنگام عبور از اَبرِ اتمی فوق‌العاده سرد، زمان منفی را سپری کنند؛ بدون اینکه قوانین فیزیک نقض شوند!

در دنیای کوانتومی، هر روز اتفاقات به‌ظاهر غیرممکنی رخ می‌دهد. این‌ بار در آزمایشی حیرت‌انگیز، محققان نشان داده‌اند که به‌ لطف اثرات کوانتومی، ذره نور می‌تواند قبل از ورود به ابر اتمی بسیار سرد، از آن خارج شود!

می‌دانیم هنگامی که نور وارد ماده‌ای می‌شود، سرعت آن به‌دلیل برهم‌کنش با اتم‌های ماده تغییر می‌کند. در واقع اتم‌های ماده، نور ورودی را جذب و دوباره گسیل می‌کنند. این فرایند باعث می‌شود سرعت نور در ماده کم شود؛ درنتیجه، مدتی (در مقایسه با خلأ) طول می‌کشد تا نور از محیط ماده خارج شود.

در برخی موارد، ازجمله این آزمایش جدید، پرتو نور به‌جای اینکه با تأخیر از ماده خارج شود، حتی زودتر (در مقایسه با حالت خلأ) از ماده خارج می‌شود! به‌قدری زود که زمان منفی را در ماده سپری می‌کند.

آزمایش چگونه انجام شده است؟

در این مطالعه، «دانیلا آنگولو» از دانشگاه تورنتو و همکارانش، از مجموعه‌ای از ده‌ها هزار اتم روبیدیم که تقریباً تا دمای صفر مطلق سرد شده بودند، استفاده کردند. اتم‌های فوق‌سرد به اثرات کوانتومی حساس‌اند و حالت‌های کوانتومی آن‌ها را می‌توان به‌دقت با لیزرها و میدان‌های الکترومغناطیسی کنترل کرد.

محققان 2 پرتو را هم‌زمان از میان ابر اتمی عبور دادند؛ به‌طوری که هر پرتو پس از عبور از ماده به‌سمت آشکارساز متفاوتی هدایت می‌شد. پرتوی اول یا مستقیم توسط اتم‌ها بازتاب شده بود، یا ابتدا جذب و دوباره توسط اتم‌ها گسیل شده بود. پرتوی دوم نیز در جایگاه ردیاب عمل می‌کرد.

وقتی هر اتم در ابر اتمی یک فوتون (ذرات نور) از پرتوی اول را جذب می‌کند، تغییراتی در حالت کوانتومی آن اتم رخ می‌دهد. محققان مشاهده کردند پرتوی دوم که در ماده جذب نشده بود، به‌نوعی تغییر حالت کوانتومی را نشان داد.

باتوجه‌به این نتیجه، آن‌ها بررسی کردند که آیا اتمی حالت خود را تغییر داده است یا خیر و همچنین بررسی کردند که فوتون چه مدت داخل ابر اتمی بوده است. محققان دریافتند وابسته به فرکانس پرتوی لیزر، حالت‌های کوانتومی خاصی در اتم‌ها وجود دارد که عدد محاسبه‌شده برای مدت‌ عبور از ماده برای آن حالت‌ها منفی است!

زمان منفی قوانین فیزیک را زیرپا نمی‌گذارد

به گفته آنگولو، پس از شناسایی اولین مورد عجیب، آن‌ها تقریباً 2 سال را صرف بهینه‌سازی تجهیزات آزمایش کردند و سپس هفته‌ها، مداوم داده‌های جدیدی جمع‌آوری کردند تا موارد بیشتری را شناسایی کنند.

«افرایم استینبرگ» از دانشگاه تورنتو که در این آزمایش مشارکت داشته، می‌گوید: «باوجود اینکه مفهوم زمان منفی عجیب و غیرواقعی به‌ نظر می‌رسد، این آزمایش هیچ‌کدام از قوانین علیت یا نسبیت خاص اینشتین را نقض نمی‌کند؛ زیرا از فوتون‌ها برای انتقال اطلاعات استفاده نمی‌شود. این آزمایش فقط به درک ما از تمام روش‌های ممکن تعامل نور و ماده در دنیای کوانتومی می‌افزاید.»

«پیتر میلونی» از دانشگاه روچستر نیویورک معتقد است این تحقیق دستاوردی مهم محسوب می‌شود:

«این آزمایش‌ها چیزی را بررسی می‌کنند که پیش‌ازاین بیشتر کنجکاوی نظری بود. می‌توان اندازه‌گیری زمان منفی را نتیجه ابهام ذاتی مکانیک کوانتومی تفسیر کرد؛ جایی که چندین گزینه برای چگونگی عبور فوتون از ابر اتم هم‌زمان امکان‌پذیر است.

این گزینه‌ها شامل حالتی می‌شود که فوتون هیچ زمانی را در میان اتم‌ها سپری نکند یا حتی زمان منفی را سپری کند. هنگامی که همه این احتمالات به‌درستی ترکیب ‌شوند، گاهی یکی از این نتایج غیرمنتظره به‌ دست می‌آید.»

«اندرو جردن» از دانشگاه چپمن در کالیفرنیا تأکید می‌کند این آزمایش فوق‌العاده است، البته همچنان توصیه می‌کند نتایج باید بااحتیاط بررسی شوند و آزمایش‌های بعدی باید اندازه‌گیری‌های مستقیم‌تری انجام دهند. او با اشاره به سخنان اینشتین، می‌گوید: «زمان چیزی است که با ساعت اندازه‌گیری می‌شود.»