Ibland händer det saker inom fysiken som får även experterna att stanna upp. Det här är ett sådant tillfälle.
Forskare har nyligen publicerat resultat som tyder på att fotoner — de små ljuspartiklarna som färdas i 300 000 kilometer per sekund — kan lämna ett material innan de ens kom in i det. Jag vet, jag vet. Ta ett djupt andetag. Låt mig förklara vad som egentligen pågår.
experimentet: ljusets kluriga resa
Tänk dig att du skjuter iväg en ensam foton in i en atomkya. Låter enkelt, eller hur? Fotonen borde susa rakt igenom... om den inte blir absorberad och återutsänd av atomerna. Det är kärnan i det här experimentet.
Dessa specifika atomer — rubidium, för den som håller koll — kan tillfälligt "låna" fotonens energi. Tänk dig en stafett där tävlingsbanan lämnas över till en lagkamrat en kort stund innan den fortsätter. Fotonen stannar upp i atomkyan som en excitation, sedan släpps den fri och fortsätter sin väg.
Här blir det intressant. På grund av Heisenbergs osäkerhetsprincip — den berömda formeln — så blir timingen suddig när en foton har väldigt precis energi. Man kan helt enkelt inte avgöra exakt när den klev in i atomkyan. Man får nöja sig med ett genomsnitt.
Det konstiga resultatet
Forskarna gjorde vad varje duktig fysiker skulle göra: de mätte när fotonerna kom ut på andra sidan och jämförde med när de borde ha anlänt om de färdades i ljusets hastighet.
Resultatet? Fotonerna anlände för tidigt. Inte bara lite för tidigt — tidigt nog att om man räknade ut hur länge de måste ha befunnit sig inne i atomkyan blev svaret ett negativt tal. De lämnade innan de kom in.
Det här är inte helt ny kunskap. Fysiker skymtade den här effekten för decennier sedan. Men alla sa samma sak: "Oroa dig inte. Det är bara en illusion. Det är bara främre kanten av ljuspulsen som tar sig igenom utan att spridas, vilket får det att verka som negativ tid."
Den förklaringen fungerar matematiskt. Men en forskare — Aephraim Steinberg vid University of Toronto — var inte nöjd. Han ville veta vad atomerna själva hade att säga om hur länge fotonen stannade där.
Att fråga atomerna
Jag älskar den här delen. Hur frågar man en atom hur länge en foton hängde omkring?
Knepen kallas "svag mätning". Man skickar ett svagt laserstråle genom atomkyan medan fotonen passerar. Strålen plockar upp små förändringar i atomernas kvanttilstånd — den berättar i princip om atomerna blev exciterade av fotonens energi.
Här kommer den kniviga balansen: mäter man för exakt kollapsar man kvantsystemet och förhindrar den interaktion man försöker studera (det är den berömda kvant-Zenoeffekten — tittar man för noga på något så förändrar man vad det gör). Så forskarna fick acceptera en kompromiss: oprecisa mätningar, men kalibrerade så noggrant att man genom att göra miljontals försök ändå fick tillförlitliga genomsnitt.
Och här kommer wow-momentet: när de mätte från atomernas perspektiv stämde den genomsnittliga "dwell-tiden" — hur länge fotonens energi satt i atomerna — överens med den negativa tid som fotonernas ankomsttider antydde.
Så... är tiden verkligen negativ?
Jag måste bromsa in lite här. Jag vill inte att du tror att fysiker har upptäckt tidsresor eller att vi har haft fel om orsakssamband hela tiden.
Det ärliga svaret är att "negativ tid" i det här sammanhanget är ett matematiskt resultat som uppstår från hur vi definierar och mäter tid i kvantsystem. Det är verkligt i den meningen att matematiken förutspår det och experimenten bekräftar det. Men vad det betyder filosofiskt? Det diskuteras fortfarande livligt.
Vissa fysiker ser det som en kuriositet i hur vi definierar "tid i ett område" — en definition som fungerar utmärkt i vardagen men blir konstig när kvantmekaniken kryper in i bilden. Andra, som Steinberg, tolkar resultatet mer bokstavligt och tycker vi kanske måste ompröva våra grundläggande antaganden.
Varför det här spelar roll
Här är varför jag genuint gillar den här historien: den påminner oss om att verkligheten på kvantnivå är konstig. Inte metaforiskt konstig. Inte "lite motsägelsefull" konstig. Utan genuint bisarr på sätt som vår mänskliga intuition inte kan förbereda oss för.
Vi tenderar att tro att fysiken har listat ut allt på grundnivå. Och visst, vi har gjort otroliga framsteg. Men experiment som det här visar att universum har lager vi inte helt har skrapat bort.
Dessutom älskar jag att den här historien handlar om forskare som i princip ber atom vittna om vad som hände. "Ursäkta, kära atom, hur länge hängde den fotonen omkring?" Och atomen, på sitt kvantmekaniska vis, svarar "negativt fem år" — för att låna från det Homer-jämförelse forskarna själva gjorde.
Den sortens vetenskaplig kreativitet — viljan att fråga ett system på ett oväntat sätt — det är vad som driver verkliga genombrott.
Så nästa gång någon säger att fysiken är uttömd och tråkig, peka på det här experimentet. Ljus kan lämna innan det kommer in. Atomerna bekräftar det. Och ärligt talat? Det är ganska fantastiskt.