Kuantum Fiziği Deneyinde 'Negatif Zaman'ın Kanıtı Bulundu

Kuantum fizikçileri, mantıksız gibi görünen tuhaf olgulara alışkındır: Atomlar ve moleküller bazen parçacıklar gibi davranır, bazen de dalgalar gibi; parçacıklar, "mesafeden ürpertici etki" ile bağlantılı olabilirler, hatta büyük mesafeler arasında; ve kuantum nesneler, "Alice Harikalar Diyarında"nın Cheshire Kedisi'nin sırıtışından ayrılması gibi özelliklerinden kopabilirler. Şimdi, Toronto Üniversitesi'nden Daniela Angulo liderliğindeki araştırmacılar başka bir tuhaf kuantum sonucunu ortaya koydular: Işığın dalga-parçacık varlıkları olan fotonlar, soğutulmuş atom bulutu içerisinden "negatif zaman" geçirerek ilerleyebilirler. Başka bir deyişle, fotonlar bir malzemeye girmeden önce çıkmış gibi görünebilirler. "Hazırlanması pozitif zaman aldı, ancak fotonların atomları uyarılmış durumda negatif zaman geçirmiş gibi görünmelerini gözlemlediğimiz deneyimiz hazır."

Çalışmanın Fikri:

Bu çalışmanın fikri 2017 yılında ortaya çıktı. O sırada çalışma yazarları, ışık-madde etkileşimine, özellikle atomik uyarılma olarak bilinen bir olguya ilgi duyuyorlardı: Fotonlar bir ortamdan geçip emildiğinde, o ortamdaki atomların etrafında dönen elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine sıçrarlar. Bu uyarılmış elektronlar temel durumlarına geri döndüğünde, emilen enerjiyi yeniden yayılan fotonlar olarak serbest bırakırlar ve bu da gözlemlenen ışığın ortamdan geçişinde bir zaman gecikmesine neden olur. Ekip, bu zaman gecikmesini (teknik olarak "grup gecikmesi" olarak bilinir) ölçmek ve fotonun kaderine bağımlı olup olmadığını belirlemek istiyordu: Foton atom bulutunda saçıldı ve emildi mi, yoksa herhangi bir etkileşim olmadan mı geçti? Bir yazar, "O zamanlar cevabı bilmiyorduk ve bu kadar temel bir şey hakkındaki bu kadar temel bir sorunun kolayca cevap bulması gerektiği düşünülüyordu." dedi. "Ama ne kadar çok tartışma yaptıysak, herkesin kendi sezgisi veya tahmini olmasına rağmen, doğru yanıt üzerinde uzmanlar arasında ortak bir görüş olmadığını daha iyi anladık." Bu gecikmelerin doğası son derece tuhaf ve sezgiye aykırı olduğundan, bazı araştırmacılar bu olguyu ışıkla ilgili herhangi bir fiziksel özelliği tanımlamak için neredeyse anlamsız olarak görüyorlardı. Üç yıllık bir planlamanın ardından ekip, bu soruyu laboratuvarda test etmek için bir düzeneği geliştirdi. Deneyleri, ultra-soğuk rubidyum atomları bulutu üzerinden fotonlar geçirip sonuçtaki atomik uyarılma seviyesini ölçmeyi içeriyordu. Deneyden iki sürpriz sonucu ortaya çıktı: Fotonlar bazen zarar görmeden geçti ama rubidyum atomları onları emmiş gibi aynı süre boyunca uyarılmayı sürdürdü. Daha da tuhaf olanı, fotonlar emildiğinde, rubidyum atomları temel durumlarına dönmeden önce hemen yeniden yayıldılar, sanki fotonlar atomları beklenenden daha hızlı terk ediyorlarmış gibi.

Araştırma Ekipleri Arasında İşbirliği:

Bunun ardından, ekip, bu olguya bir açıklama getirmek için Avustralya'daki Griffith Üniversitesi'nden kuantum ve teorik bir fizikçi ile işbirliği yaptı. Teorik açıklama, iletilen fotonların atomik uyarılma olarak geçirdiği zamanın, ışığın beklenen grup gecikmesiyle tam olarak eşleştiğini gösterdi; bu, fotonların atomik uyarılma sakinleşmeden önce yeniden yayıldığı durumlarda bile geçerlidir.

Bu mantıksız keşfi anlamak için fotonları gizemli kuantum nesneler olarak düşünebiliriz, burada herhangi bir belirli fotonun atomik uyarılma yoluyla emilimi ve yeniden yayılması sabit bir süre içinde gerçekleşmez; bunun yerine, zaman değerlerinin çarpıtıldığı bir aralıkta gerçekleşir. Ekibin deneyleriyle gösterildiği üzere, bu değerler, tek bir fotonun geçiş süresinin anlık veya atomik uyarılma sona ermeden biten bir değeri içerebildiği durumları kapsayabilir; bu da negatif zaman değerine yol açar. Bu şaşırtıcı sonuç, ekibi negatif bekleme süresi gibi çılgın bir tahmini test etmek ve teorinin geçerliliğini görmek için bir takip deneyi planlamaya yönlendirdi.

Sonuçları Yorumlamak:

Angulo liderliğindeki bir sonraki deney, bir fotonun alabileceği iki olası yolu düşünerek anlaşılabilir. Bir yolda, foton bir tür kalkan takar ve atomu tamamen görmezden gelerek, tek bir selam bile vermeden gider. Diğerinde, atomla etkileşime girer, onu daha yüksek enerji seviyesine yükselir ve sonra yeniden yayılır. Sorun ise, iletilen fotonun hangi senaryoda olduğunu gözlemlerken göremememizdir çünkü fotonlar kuantum parçacıklarıdır, yani sonuçlar üst üste biner ve ölçüm cihazı "hiçbir şey" ya da birazcık pozitif bir değeri kaydedebilir. Ayrıca bu, bazen ölçüm cihazının "sıfır" artı "pozitif bir şey" yerine "sıfır" eksi "pozitif bir şey" yansıttığını ve bu uyarılma süresi için yanlış bir işaret olan negatif bir değer verdiğini de ima eder. Angulo ve meslektaşlarının ölçüm sonuçları, fotonlar atomları uyarırken, atomların temel durumda kaldıkları süreden daha hızlı hareket ettiklerini ileri sürmektedir.

Sonuç:

Bu olgu şaşırtıcı olsa da, zaman anlayışımızı etkilemez, ancak bir kez daha kuantum dünyasının tüyler ürpertici yanlarını sakladığını gösterir. Ekip gerçekten etkileyici bir şey başardı ve güzel bir ölçüm seti ortaya çıkardı. Sonuçları, emici ortamlar üzerinden foton geçişinin tarihine dair ilginç sorular ortaya koymakta ve optikte grup gecikmesinin fiziksel anlamını yeniden yorumlamayı gerektirmektedir.