Fizikai képtelenség vagy valóság? Bebizonyították a negatív idő létezését

Homérosz Odüsszeiája évezredek óta az emberi kitartás és a viszontagságos utazás alapvető metaforája. A találékony görög hős, aki Trója fala...

Homérosz Odüsszeiája évezredek óta az emberi kitartás és a viszontagságos utazás alapvető metaforája. A találékony görög hős, aki Trója falaitól indulva, az istenek haragjával dacolva igyekezett haza Ithakába, útja során éveket töltött Kalüpszó nimfa szigetén.

Ha felesége, Pénelope, számon kérte volna rajta ezt az elvesztegetett időt, Odüsszeusz talán azzal védekezett volna, hogy az ott töltött esztendők valójában "kevesebbek voltak a semminél". Azt állíthatta volna, hogy negatív öt évet töltött a nimfával, hiszen csak így magyarázható, hogyan érhetett haza mindössze tíz év bolyongás után a tengeren.

Ami az ókori eposzban csupán egy szellemes (vagy kétségbeesett) kifogás lenne, az a kvantummechanika világában döbbenetes valósággá vált: a legújabb kísérleti eredmények szerint a részecskék valóban képesek negatív időt tölteni egy adott állapotban.

A Torontói Egyetem fizikusai a Physical Review Letters folyóiratban publikálták azt a kutatást, amely alapjaiban rengetheti meg az időmérésről és a részecskék jelenlétéről alkotott hagyományos elképzeléseinket. (1) A kísérlet középpontjában a fotonok – a fény elemi részecskéi – és egy rubídiumatomokból álló felhő kölcsönhatása állt. A kvantumvilág "Odüsszeuszai", a fotonok, egy rendkívül nehéz utazásra vállalkoznak, amikor megpróbálnak áthaladni ezen az atomi akadálypályán.

A jelenség megértéséhez ismernünk kell a rezonancia fogalmát. A rubídiumatomok és a fotonok között egyfajta energetikai összhang alakulhat ki: ha a foton energiája pontosan megegyezik azzal a szinttel, amely egy rubídiumatom gerjesztéséhez szükséges, az energia ideiglenesen átadódik az atomnak. Ebben az állapotban a foton úgymond "időzik" az atomi felhőben, mielőtt újra kibocsátódna és folytatná útját.

A fizika törvényei szerint azonban van egy bökkenő, amely Heisenberg híres határozatlansági elvéből fakad. Ha a foton energiája hajszálpontosan meg van határozva – ami a rezonancia feltétele –, akkor az időbeli elhelyezkedése bizonytalanná válik. Ez azt jelenti, hogy a fényimpulzus, amelyben a foton tartózkodik, időben hosszúra nyúlik. Nem tudhatjuk pontosan, melyik pillanatban lép be a felhőbe, csupán egy átlagos belépési időt határozhatunk meg.

A legtöbb foton számára ez az utazás kudarccal végződik: az atomok elnyelik őket, majd véletlenszerű irányba sugározzák ki az energiát – ez a fényszóródás jelensége. Azonban azok a fotonok, amelyeknek sikerül egyenesen áthaladniuk a felhőn és eljutniuk a "célba", különös anomáliát mutatnak. Ha kiszámítjuk a várható érkezési idejüket a fénysebesség és a belépési idő alapján, azt tapasztaljuk, hogy ezek a részecskék jóval hamarabb bukkannak fel a túloldalon, mint kellene. Olyan korán érkeznek meg, mintha negatív időt töltöttek volna az atomok között – mintha hamarabb hagyták volna el a felhőt, mint ahogy beléptek oda.

Bár ezt a jelenséget már az 1990-es évek elején megfigyelték, a fizikusok közössége évtizedekig szkeptikus maradt. A többségi vélemény szerint a negatív idő csupán egy mérési műtermék, egyfajta matematikai illúzió volt. Úgy érveltek, hogy a hosszú fényimpulzusnak csupán a legelső szakasza jut át a felhőn, míg a többi rész szétszóródik. Így az "átlagos" érkezési idő látszólag előreugrik, de ez nem jelenti azt, hogy a foton valóban a múltban járt volna.

Ez a magyarázat kényelmesen megőrizte a kauzalitás és az idő lineáris haladásának rendjét, ám Aephraim Steinberg, a torontói laboratórium vezetője nem érte be ennyivel. Őt az foglalkoztatta: vajon mit mondanának maguk az atomok, ha megkérdeznénk tőlük, mennyi ideig "vendégeskedett" náluk a foton?

A kvantummechanikai "kérdezés" azonban rendkívül kényes folyamat. A mérés ténye ugyanis elkerülhetetlenül megzavarja a mért rendszert. Ha egy detektorral folyamatosan és precízen figyelnénk, hogy a foton energiája éppen az atomokban van-e, ezzel megakadályoznánk magát a kölcsönhatást. Ez a kvantum Zénón-effektus: a puszta megfigyelés "megfagyasztja" a rendszert, és elpusztítja azt a jelenséget, amelyet vizsgálni kívánunk. Olyan ez, mintha Kalüpszó és Odüsszeusz kapcsolatát próbálnánk dokumentálni, de a jelenlétünkkel eleve megakadályoznánk, hogy egyáltalán szóba álljanak egymással.

A megoldást az úgynevezett "gyenge mérés" technikája jelentette. A kutatók nem közvetlenül a fotont figyelték, hanem egy gyenge lézersugarat küldtek át az atomfelhőn, amely nem volt közvetlen kapcsolatban a vizsgált fotonimpulzussal. Ez a lézersugár apró fázisváltozásokon ment keresztül, valahányszor az atomok gerjesztett állapotba kerültek. Egyetlen mérés ebben az esetben alig szolgáltatott értékelhető adatot, de több millió kísérlet átlagolása után kirajzolódott a pontos kép.

Az eredmények minden várakozást felülmúltak. A gyenge mérések megerősítették, hogy amikor a foton sértetlenül áthalad a felhőn, az atomok olyan állapotba kerülnek, mintha a foton negatív időt töltött volna el bennük. Ami még döbbenetesebb, hogy ez a mért érték hajszálpontosan megegyezett azzal a negatív idővel, amelyet a fotonok korai érkezéséből számítottak ki. Ez az egyezés korábban senkinek sem tűnt fel, és döntő bizonyítékot szolgáltatott: a negatív várakozási idő nem csupán a fényimpulzus alakjának torzulása, hanem egy valóságos, mérhető fizikai hatás az atomfelhőben.

Fontos azonban tisztázni, hogy ez a felfedezés nem jelenti azt, hogy holnap megépíthetjük a saját időgépünket. A kísérlet eredményei teljes mértékben levezethetők a standard kvantumfizika egyenleteiből, és nem sértik meg a fénysebesség elvi határát az információátvitel tekintetében. A negatív idő ebben a kontextusban nem a múltba való visszatérést jelenti a szó hétköznapi értelmében, hanem a kvantumvilág egy olyan sajátosságát, ahol a részecskék története és jelenléte nem értelmezhető a klasszikus, kőbe vésett idősíkok mentén.

Ez a kutatás rávilágít arra, hogy a kvantumfizika még mindig tartogat olyan meglepetéseket, amelyek kihívást intéznek a józan eszünk ellen. A negatív várakozási idő létezése azt sugallja, hogy a "mikor" és a "mennyi ideig" kérdései a szubatomi szinten sokkal képlékenyebbek, mint azt korábban gondoltuk. Odüsszeuszhoz hasonlóan a fotonok is képesek furfangos módon kijátszani a fizikai világ korlátait, és bebizonyítani, hogy az útjuk során eltöltött idő néha valóban lehet kevesebb a semminél.

A modern fizika odüsszeiája folytatódik, és bár még nem értünk haza a teljes megértés Ithakájába, már tudjuk, hogy az időnek olyan mélységei – és negatív tartományai – vannak, amelyekről korábban csak álmodni mertünk. (2)

(1) - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/
(2) - https://www.sciencealert.com/negative-time