عندما يمر شعاع من الضوء عبر سحابة من الذرات، يبدو أحيانًا أن الفوتونات (جسيمات الضوء) تقضي قدرًا سالبًا من الوقت هناك، حيث يبدو أن الضوء يخرج من السحابة حتى قبل دخولها. الآن، أكد الفيزيائيون هذه الميزة الكمومية عن طريق سؤال الذرات نفسها.
“هذا لا يعني أننا على وشك بناء آلة الزمن أو أي شيء من هذا القبيل،” مؤلف مشارك في الدراسة هوارد وايزمانوقال عالم فيزياء الكم النظري بجامعة جريفيث في أستراليا لموقع Live Science. “يمكن فهم كل هذا من خلال الفيزياء القياسية، لكنها خاصية غريبة أخرى فيزياء الكم أن الناس لم يشكوا.”
يمكن امتصاص الفوتونات التي تمر عبر السحابة الذرية مؤقتًا. إنها تختفي كجزيئات من الضوء وتعاود الظهور كإثارات ذرية – نوع من الطاقة المخزنة – قبل أن يتم إطلاقها مرة أخرى. بعض الفوتونات، التي تسمى الفوتونات المرسلة، تمر في نفس الاتجاه تقريبًا الذي دخلت فيه، وينتشر البعض الآخر في اتجاهات عشوائية.
التجارب التي يرجع تاريخها إلى 1993 لقد ألمحنا بالفعل إلى أن الفوتونات المرسلة تميل إلى الوصول إلى الكاشف قبل أن يدخل مركز نبضها إلى السحابة. وهذا يعني وقت عبور سلبي.
ولكن كانت هناك مشكلة في هذا الإعداد: من المرجح أن تتمكن الفوتونات الموجودة في مقدمة النبضة من العبور أكثر من الفوتونات الموجودة في الخلف. إذا نظرت فقط إلى تلك التي يتم نقلها، فبالطبع، فإنها تنظر مبكرًا. لكن هذا ترك الباب مفتوحا لتفسير أبسط.
وقال وايزمان لموقع Live Science: «كان الناس يقنعون أنفسهم بأن هذا ليس في الواقع جنونًا كما يبدو».
تأكيد الجنون
في ورقة جديدة نشرت في 13 أبريل في المجلة رسائل المراجعة البدنيةحاول الفيزيائيون اتباع نهج مختلف. وبدلاً من مراقبة وصول الفوتون إلى الكاشف، قاموا بمراقبة ما إذا كانت الذرات في حالة مثارة أثناء مرور الفوتون.
عندما تمتص الذرة الفوتون، يتم تخزينه كطاقة، مما يجعل الذرة تدخل ما يسميه الفيزيائيون الحالة المثارة. وتبقى الذرة في هذه الحالة المثارة حتى تعيد إطلاق الفوتون. ولذلك، فإن قياس مدة الحالة المثارة للذرة يكشف عن المدة التي امتصت فيها الذرة الفوتون.
قام الفريق بقياس ذلك باستخدام شعاع ثانٍ من الضوء، والذي التقط تحولًا طفيفًا في الطور اعتمادًا على مستويات إثارة الذرات. وكان شعاع الضوء بمثابة قراءة حية لما كانت تمر به الذرات من لحظة إلى أخرى.
أكدت هذه القراءة الذرية الجنون الكمي للتجارب السابقة.
قال وايزمان: «سوف تحصل على نفس الإجابة إذا سألت الذرات: «كم من الوقت بقي الفوتون معك؟»». “سيخبرونك أيضًا بالإجابة، وهي وقت سلبي.”
معلما مليون اختبار
لم يكن الحصول على هذه الإجابة سهلاً، لأن قياس الأنظمة الكمومية يزعجها. وفي هذه الحالة، من المحتمل أن يمنع امتصاص الفوتون على الإطلاق. لذلك استخدم الفريق “قياسات ضعيفة”، وهي قياسات لطيفة ولكنها صاخبة للغاية. كانت أي تجربة منفردة مليئة بالضوضاء، وهي تقلبات عشوائية جعلت من المستحيل التمييز بين الإشارة والإشارة الساكنة في أي قياس فردي. ولم تظهر إشارة واضحة إلا بعد أن بلغ متوسطها مليون مرة تقريبًا. عبر ما يقرب من سبع مجموعات من المعلمات التجريبية، ركض إجمالي جمع البيانات إلى ما يقرب من 70 ساعة.
وقال وايزمان: “حتى في هذا الشيء البسيط حقًا – تفاعل الفوتون مع الذرات – كان الناس يقومون بالفعل بحسابات على ذلك منذ ما يقرب من 100 عام”. “إن حقيقة أنه لا يزال بإمكانه إظهار المفاجآت بعد كل هذا الوقت أمر مثير للاهتمام.”
الهدف التالي للفريق هو الفوتونات التي لا تستطيع المرور عبر السحابة. تتنبأ النظرية بأن تلك الفوتونات المتناثرة تحمل وقتًا إضافيًا للإثارة الإيجابية. وهذا يكفي لموازنة الوقت السلبي للبث المرسل، مع الحفاظ على المتوسط الإجمالي لشعاع الضوء عند الصفر أو أعلى. ولم يتم اختبار هذا التوقع قط.
