فیزیکدانان کوانتوم از پدیده عجیبی پرده برداشتهاند که در آن به نظر میرسد فوتونها پیش از خروج از یک توده ماده، مدتزمانی «منفی» را صرف تعامل با اتمها میکنند. همانطور که در آزمایشی منتشر شده در نشریه Physical Review Letters نشان داده شده، مشخص شده است که ذرات کوانتومی رفتاری بسیار عجیب دارند. نهتنها زمان رسیدن آنها میتواند اینطور القا کند که برای مدتزمانی منفی با ذرات دیگر همنشین بودهاند، بلکه اگر از آن ذرات دیگر هم سوال کنید، این داستان را تأیید خواهند کرد.
فوتونها چگونه از میان یک توده اتمی عبور میکنند؟
این آزمایش از فوتونها — ذرات کوانتومی نور — و سفر خلاف پیشبینیِ آنها برای عبور مستقیم از میان تودهای از اتمهای روبیدیوم استفاده کرد. این اتمها با فوتونها نوعی «تشدید» (رزونانس) دارند؛ به این معنی که انرژی فوتون میتواند بهطور موقت به عنوان یک «برانگیختگی اتمی» به اتمها منتقل شود. این امر به فوتون اجازه میدهد تا پیش از آزاد شدن، برای مدتی در توده اتمی «اقامت» داشته باشد.
برای اینکه این تشدید موثر واقع شود، فوتون باید دارای انرژی کاملاً مشخصی باشد که با مقدار انرژی مورد نیاز برای قرار دادن یک اتم روبیدیوم در حالت برانگیخته مطابقت دارد. اما، طبق شکلی از اصل عدم قطعیت معروف هایزنبرگ، اگر انرژی فوتون به طور دقیق مشخص باشد، زمانبندی آن باید نامشخص باشد: یعنی تپ (پالس) نوری که فوتون در آن قرار دارد، باید مدتزمان طولانی داشته باشد. این بدان معناست که نمیتوان دقیقاً فهمید فوتون چه زمانی وارد توده میشود، اما میتوان زمان ورود آن را به طور میانگین محاسبه کرد.
چرا برخی فوتونها زودتر از حد انتظار میرسند؟
اگر فوتونی اینچنینی به داخل توده شلیک شود، محتملترین نتیجه این است که انرژی آن به اتمها منتقل شده و سپس به صورت فوتونی که در یک جهت تصادفی حرکت میکند، دوباره ساطع شود. در چنین مواردی، فوتون پراکنده شده و در رسیدن به مقصد نهایی خود ناکام میماند.
اما اگر فوتون بتواند به طور مستقیم از میان توده عبور کند، اتفاق عجیبی رخ میدهد. با فرض اینکه فوتون با سرعت نور حرکت میکند (همانطور که فوتونها معمولاً حرکت میکنند)، میتوان بر اساس میانگین زمان ورود فوتون به توده، زمان میانگین انتظار برای رسیدن آن به آن طرف توده را محاسبه کرد.
چیزی که در واقعیت مشاهده میشود این است که فوتون بسیار زودتر از آن زمان میرسد. در واقع، آنقدر زود میرسد که به نظر میرسد مدتزمانی منفی را در داخل توده سپری کرده است — یعنی به طور میانگین، قبل از اینکه وارد شود، خارج شده است!
این اثر برای دههها شناخته شده بود و در آزمایشی در سال ۱۹۹۳ نیز مشاهده شد. اما فیزیکدانان عمدتاً تصمیم گرفته بودند این زمان منفی را جدی نگیرند.
دانشمندان یک معمای دیرینه کوانتومی را دوباره بررسی میکنند
دلیل جدی نگرفتن این بود که پدیده مذکور را میشد اینگونه توجیه کرد که تنها بخش جلویی (پیشانی) آن پالس طولانیمدت به طور مستقیم از توده اتمی عبور میکند، در حالیکه بقیه آن پراکنده میشود. این امر منجر به این میشود که یک فوتونِ موفق (پراکنده نشده)، زودتر از آنچه به طور سادهلوحانهای انتظار میرود، به مقصد برسد.
با این حال، «افرایم اشتاینبرگ»، یکی از نویسندگان آن مقاله سال ۱۹۹۳، به این سادگیها حاضر نشد این زمان منفی را به عنوان یک خطای آزمایشی کنار بگذارد. او در آزمایشگاه خود در دانشگاه تورنتو میخواست به این نتیجه برسد که اگر اتمهای روبیدیوم موجود در توده را بازجویی کنیم، چه اتفاقی میافتد تا بفهمیم فوتون چقدر زمان را به عنوان یک برانگیختگی در میان آنها سپری کرده است. پس از یک آزمایش اولیه با نتایج غیرقطعی، او از یک نظریهپرداز کوانتوم خواست تا در پیشبینی آنچه باید انتظار داشت، به او کمک کند.
وقتی از بازجویی اتمها صحبت میشود، در عمل به این معنی است که در حین عبور فوتون از میان توده، به طور مداوم اتمها را اندازهگیری کنیم تا بررسی شود آیا انرژی فوتون در حال حاضر در آنجا اقامت دارد یا خیر. اما در اینجا یک ظرافت وجود دارد: اندازهگیریها در فیزیک کوانتوم به ناچار سیستمی را که مورد اندازهگیری قرار میگیرد، دچار اختلال میکنند.
اندازهگیریهای ضعیف، زمان اقامت منفی را آشکار میکنند
اگر بخواهیم در هر لحظه از زمان، اندازهگیری دقیقی از اینکه آیا فوتون در اتمها اقامت دارد یا خیر انجام دهیم، مانع از تعامل اتمها با فوتون میشود. این درست مانند آن است که صرفاً با زیر نظر گرفتن شدید، مانع از وقوع یک رویداد شویم. این همان اثر معروف «زنو کوانتومی» است که دقیقاً همان پدیدهای را که مورد مطالعه قرار میگیرد، نابود میکند.
راهحل این است که به جای آن، یک اندازهگیری بسیار غیردقیق (اما همچنان با کالیبراسیون بسیار دقیق) انجام دهیم. این بهایی است که برای ناچیز نگه داشتن اختلال پرداخته میشود. به طور مشخص، دانشمندان یک پرتو لیزر ضعیف — که ارتباطی به پالس تکفوتون نداشت — را از میان توده اتمها شلیک کردند و تغییرات کوچک در فاز نور پرتو را اندازهگیری نمودند تا بررسی کنند آیا اتمها برانگیخته شدهاند یا خیر.
هر بار اجرای تکباره این آزمایش تنها نشانه بسیار مبهمی از اقامت فوتون در اتمها به دست میدهد، اما میانگین گرفتن از میلیونها بار تکرار، زمان اقامت دقیقی را حاصل میکند.
شگفتآور اینجاست که نتیجه این اندازهگیری ضعیف از زمان اقامت (هنگامی که فوتون مستقیم از میان توده عبور میکند)، دقیقاً برابر با همان زمان منفی است که توسط میانگین زمان رسیدن فوتونها نشان داده شده بود. پیش از این کار، هیچکس گمان نمیکرد این دو زمان که به روشهای کاملاً متفاوتی اندازهگیری شدهاند، با هم برابر باشند.
این مطالعه نشان میدهد زمان منفی یک اثر کوانتومی واقعی است
نکته حیاتی این است که برخلاف زمان استنباطشده از لحظه رسیدن، مقدار منفیِ زمان اقامتی که به روش ضعیف اندازهگیری شده را نمیتوان با این تصور توجیه کرد که تنها بخش جلویی پالس فوتون از توده عبور کرده است.
خب، معنای همه اینها چیست؟ آیا یک ماشین زمان در همین نزدیکیهاست؟
متأسفانه خیر. این آزمایش به طور کامل توسط فیزیک استاندارد قابل توجیه است.
اما این آزمایش نشان میدهد که زمان اقامت منفی یک خطای محاسباتی یا آزمایشی نیست. هرچقدر هم که متناقض به نظر برسد، این پدیده اثری مستقیماً قابل اندازهگیری بر روی توده اتمی دارد که فوتون از آن عبور میکند. و به پژوهشگران یادآوری میکند که هنوز سرزمینهایی برای کشف در این اودیسه پژوهشهای کوانتومی وجود دارد.
منبع: Scitechdaily
