Valo voi poistua ennen saapumistaan — ja atomit vahvistavat sen

Ollaan rehellisiä — fysiikka saa välillä huonon maineen. Se on kuiva, teoreettinen, kaukana arkielämästä. Mutta välillä tapahtuu jotain, mikä hämmentää jopa alan asiantuntijoita. Tämä on yksi niistä hetkistä.

Tutkijaryhmä julkaisi tuloksia, joiden mukaan fotonit — ne pienet valohiukkaset, jotka kiitävät valon nopeudella — voivat poistua materiaalista ennen saapumistaan. Joo, luit oikein. Älä hengitä vielä. Selitän.

Valon temppumatka

Kuvittele, että ammut yksittäisen fotonin kaasupilveen. Yksinkertaista, eikö? Fotonin pitäisi lentää suoraan läpi... ellei se sitten satu imeytymään atomeihin ja lähetetä uudelleen ulos. Siinä piilee koko kokeen juju.

Nämä atomit — rubidium-atomeja, jos tarkkoja ollaan — voivat hetkellisesti "lainata" fotonin energian. Ajattele sitä viestikapulan vaihtona. Kapula siirtyy joukkuetoverille hetkeksi, ja sitten matka jatkuu.

Ja sitten alkaa tapahtua. Heisenbergin epävarmuusperiaatteen vuoksi — kyllä, se kuuluisa — kun fotonilla on tarkka energia (mikä on välttämätöntä atomien kanssa vuorovaikutukseen), sen ajoitus sumentuu. Ei voi määrittää tarkasti, milloin se saapui pilveen. Ainoastaan keskiarvo tiedetään.

Outo tulos

Tutkijat tekivät sen, mitä hyvät fyysikot tekevät: he mittasivat, milloin fotonit tulivat ulos toiselta puolelta, ja vertasivat sitä siihen, milloin niiden olisi pitänyt saapua, jos ne olisivat matkanneet valon nopeudella.

Tulos? Fotonit tulivat ennen aikaan. Ei vähän aikaisemmin — vaan niin aikaisin, että jos laskit, kuinka kauan niiden olisi pitänyt viipyä pilvessä, sait negatiivisen luvun. Ne poistuivat ennen saapumistaan.

Tämä ei ole täysin uutta tietoa. Fyysikot huomasivat vihjeitä tästä vaikutuksesta vuosikymmeniä sitten. Mutta kaikki sanoivat: "Älä huoli. Kyse on vain näennäisestä. Vain valopulssin etureuna pääsee läpi hajoamatta, mikä luo negatiivisen ajan illuusion."

Matemaattisesti tuo selitys toimii mainiosti. Mutta eräs tutkija — Aephraim Steinberg Toronton yliopistosta — ei tyydytynyt siihen. Hän halusi tietää, mitä atomit itsessään kertoisivat fotonin viipymisajasta.

Atomien kuulustelu

Rakastan tätä osuutta. Miten kysyt atomilta, kuinka kauan fotoni viipyi?

Temppu on nimeltään "heikko mittaus". Lähetät erillisen heikon laservalon pilven läpi sillä aikaa, kun fotoni kulkee sen läpi. Tämä valo poimii pienet muutokset atomien kvanttitilassa — kertoo käytännössä, kävivätkö atomit virittyneinä fotonin energian vuoksi.

Tässä on herkkä tasapaino: jos mittaat liian tarkasti, romahdatat kvanttijärjestelmän etkä enää tutkikaan vuorovaikutusta (tämä on kuuluisa kvanttinen Zenon-ilmiö — liika tarkkailu muuttaa sitä, mitä tapahtuu). Joten tutkijoiden oli hyväksyttävä kompromissi: epätarkkoja mittauksia, mutta niin huolellisesti kalibroituja, että miljoonien mittausten keskiarvo antoi silti oikean tuloksen.

Ja sitten: kun he mittasivat atomien näkökulmasta, keskimääräinen "viipymisaika" — siis kuinka kauan fotonin energia oli atomien sisällä — vastasi negatiivista aikaa, jonka fotonien saapumisajat olivat ennustaneet.

Onko aika siis negatiivista?

Nyt on hidastettava vähän. En halua, että luulet fyysikoiden löytäneen aikakoneen tai että olemme ymmärtäneet kausaalisuuden väärin koko ajan.

Rehellinen vastaus on tämä: "negatiivinen aika" on tässä yhteydessä matemaattinen sivutuote, joka syntyy siitä, miten määritämme ja mittaamme aikaa kvanttijärjestelmissä. Se on todellista siinä mielessä, että matematiikka ennustaa sen ja kokeet vahvistavat sen. Mutta mitä se tarkoittaa filosofisesti? Siitä väitellään yhä.

Osa fyysikoista näkee sen oudoksi reunailmiöksi siinä, miten määrittelemme "ajan, joka on vietetty alueella" — määritelmä, joka toimii loistavasti arjessa mutta käy erikoiseksi kvanttimaailman omituisuuksien edessä. Toiset, kuten Steinberg, tulkitsevat tulosta kirjaimellisemmin ja ajattelevat, että ehkä meidän pitää kyseenalaistaa perusolettamuksemme.

Miksi tällä on väliä

Siksi olen aidosti innoissani: se muistuttaa meitä siitä, että todellisuus kvanttitasolla on outoa. Ei metaforisesti outoa. Ei "vähän vastoin intuition" outoa. Todella, aidosti omituista — tavalla, johon ihmisen arkijärki ei yksinkertaisesti pysty varautumaan.

Meillä on taipumus ajatella, että fysiikka on ratkaissut perusasiat. Ja kyllä, olemme edistyneet valtavasti. Mutta tällaiset kokeet osoittavat jatkuvasti, että universumissa on kerroksia, joita emme ole vielä täysin kuolleet.

Lisäksi rakastan sitä, että tarinassa tutkijat käytännössä kuulustelevat atomeja siitä, mitä tapahtui. "Anteeksi, herra atomi, kuinka kauan tuo fotoni viipyi?" Ja atomi vastaa kvantitavallaan "negatiivinen viisi vuotta" — lainatakseni tutkijoiden omaa Homer Simpson -vertausta.

Sellaista tieteellistä luovuutta — halua kysyä järjestelmältä odottamattomia kysymyksiä — tarvitaan oikeisiin läpimurtoihin.

Joten jos joku sanoo fysiikan olevan tylsää ja kaikki on jo keksitty, osoita tämä koe hänelle. Valo voi poistua ennen saapumistaan. Atomit vahvistavat sen. Ja rehellisesti sanottuna? Se on aika hienoa.