A fény kilépett... mielőtt belépett volna

Hadd legyek őszinte: a fizika néha megérdemli a "száraz és elvont" címkét. De időről időre felbukkan valami, ami még a szakértőket is meghökkenti. Most épp egy ilyen pillanatról van szó.

Egy kutatócsoport most azt publikálta, hogy a fotonok – amik ugye 300 ezer kilométer per másodperces sebességgel száguldanak – egy anyagon mielőtt belépnének, ki is léphetnek rajta. Tudom, tudom. Lélegezz fel. Elmagyarázom, mi történik itt valójában.

A kísérlet: a fény furcsa útja

Képzeld el, hogy egyetlen fotont lősz be egy atomfelhőbe. Egyszerűnek tűnik, ugye? A fotonnak simán át kellene haladnia... hacsak nem nyelődik el és bocsátódik ki újra az atomok által. Ez a kísérlet lényege.

A rubídiumatomok – ez a konkrét anyag – képesek ideiglenesen "kölcsönvenni" a foton energiáját. Gondolj úgy rá, mint egy váltóversenyre, ahol a stafétabot egy pillanatra átadódik a következő futónak, mielőtt az folytatná az útját. A foton gerjesztés formájában "várakozik" az atomfelhőben, aztán továbblökődik.

És most jön a érdekes rész. A Heisenberg-féle határozatlansági elv miatt – igen, az a hírhedt elv – amikor egy foton nagyon pontos energiával rendelkezik (amire az atomokkal való kölcsönhatáshoz szükség van), a timingja bizonytalanná válik. Nem lehet pontosan meghatározni, mikor lépett be a felhőbe. Csak az átlagot ismerjük.

Az elképesztő eredmény

A kutatók azt tették, amit minden jó fizikus tesz: megmérték, mikor bukkanak ki a fotonok a másik oldalon, és összehasonlították azzal, mikor kellett volna megérkezniük fénysebességgel számolva.

Az eredmény? A fotonok korábban érkeztek. Nem csak egy kicsit korábban – olyan korán, hogy ha kiszámoltuk, mennyi időt töltöttek a felhőben, negatív számot kaptunk. A fotonok a belépésük előtt léptek ki.

Ez nem teljesen új felismerés egyébként. A fizikusok évtizedekkel ezelőtt észlelték ennek az effektusnak a nyomait. De mindenki azt mondogatta: "Ne aggódj, ez csak illúzió. A fényimpulzus élének egy része szóródik szét, és emiatt tűnik úgy, mintha negatív idő telt volna el."

Ez a magyarázat matematikailag működik. De Steinberg Aephraim, a Torontói Egyetem kutatója, nem elégedett meg vele. Azt akarta tudni, hogyan látják az atomok, mennyi ideig tartózkodott náluk a foton.

Megkérdezzük az atomokat

Imádom ezt a részt. Hogyan kérdezed meg egy atomtól, mennyi ideig lógott ott nála a foton?

A trükk a "gyenge mérés". Lényegében egy gyenge lézernyalábot vezetsz át a felhőn, miközben a foton áthalad. Ez a nyaláb apró változásokat érzékel az atomok kvantumállapotában – vagyis elárulja, hogy az atomok gerjesztődtek-e a foton energiájától.

És itt jön a csodálatos egyensúlyozás: ha túl pontosan méricskélsz, összeomlik a kvantumrendszer, és megakadályozod magát a kölcsönhatást, amit vizsgálni akarsz (ez a hires kvantum-Zénó-effektus – ha túl szorosan figyeled, megváltoztatod, amit nézel). Ezért a kutatóknak kompromisszumot kellett kötniük: pontatlan mérések, de annyira kalibrálva, hogy milliónyi mérés átlagából pontos eredmény született.

És megérkeztünk a "hűha" pillanathoz: amikor az atomok perspektívájából nézték, az átlagos "tartózkodási idő" – vagyis mennyi ideig ült a foton energiája az atomokban – pontosan egyezett a fotonok érkezési ideje alapján számított negatív idővel.

Szóval... valóban negatív az idő?

Ide kell fékeznem egy kicsit, mert nem szeretném, ha úgy gondolnád, hogy a fizikusok feltalálták az időutazást, vagy hogy ez idáig mindent elrontottunk az ok-okozatossággal kapcsolatban.

Az őszinte válasz az, hogy a "negatív idő" ebben a kontextusban matematikai melléktermék. Abból a módból ered, ahogyan a kvantumrendszerekben az időt definiáljuk és mérjük. A matematika megjósolja, a kísérletek pedig megerősítik. De hogy ez filozófiailag mit jelent? Erről még rengeteget vitatkoznak.

Egyes fizikusok szerint ez csak annak a definíciónak a furcsasága, amit a "területen töltött időre" használunk – egy definíció, ami a mindennapokban remekül működik, de a kvantumvilágban megőrül. Mások, Steinberghez hasonlóan, szó szerint veszik az eredményt, és úgy gondolják, hogy talán újra kell gondolnunk az alapfeltevéseinket.

Miért fontos ez

És itt jön, ami miatt tényleg izgatott vagyok: emlékeztet minket, hogy a valóság a kvantumszinten fura. Nem metaforikusan fura. Nem "kicsit meglepő" fura. Tényleg, valóban vad, olyan értelemben, amire az emberi léptékű intuíciónk egyszerűen nem készített fel minket.

Hajlamosak vagyunk azt hinni, hogy a fizika már mindent tud az alapvető szinten. És igen, hatalmas előrelépéseket tettünk. De az ilyen kísérletek folyamatosan emlékeztetnek: az univerzumnak még vannak rétegei, amelyeket nem hámoztunk le teljesen.

Ráadásul imádom, hogy ebben a történetben a tudósok lényegében az atomok véleményét kérdezik ki arról, mi történt. "Elnézést, Mr. Atom, mennyi ideig lógott ott magánál az a foton?" És az atom, a maga kvantumos módján, azt válaszolja: "mondjuk mínusz öt év" – hogy kölcsönvegyek egy hasonlatot a kutatóktól.

Az a fajta tudományos kreativitás – hogy hajlandóak vagyunk egy rendszert váratlan módon kérdezgetni – az, ami igazi áttöréseket hoz.

Szóval ha legközelebb valaki azt mondja, hogy a fizika unalmas és már mindent tudunk, mutasd meg neki ezt a kísérletet. A fény kiléphet, mielőtt belépne. Az atomok tanúsítják. És őszintén? Ez gyönyörű.