Το φως βγαίνει πριν μπει — και οι φυσικοί δεν ξέρουν τι να σκεφτούν

Θα είμαι ειλικρινής μαζί σου. Η φυσική έχει κάποιες φορές τη φήμη του «βαρετού μαθήματος». Αλλά κάθε τόσο, εμφανίζεται κάτι που κάνει ακόμα και τους ειδικούς να χάνουν τον υπνο τους.

Μια ομάδα ερευνητών μόλις δημοσίευσε αποτελέσματα που σου δημιουργούν απορίες: τα φωτόνια — αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια του φωτός που τρέχουν με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο — μπορούν να βγουν από ένα υλικό πριν καν μπουν μέσα.

Πάρφ, πάρφ. Πάρε μια ανάσα. Ας δούμε τι συμβαίνει.

Το πείραμα: Το ταξίδι του φωτός

Φαντάσου ότι πετάς ένα μοναδικό φωτόνιο μέσα σε ένα σύννεφο ατόμων. Απλό, σωστά;

Το φωτόνιο θα έπρεπε να περάσει απέναντι... εκτός αν απορροφηθεί και εκπεμφθεί ξανά από αυτά τα άτομα. Αυτό είναι το κλειδί.

Τα συγκεκριμένα άτομα — ρουβίδιο, για τους λάτρεις της λεπτομέρειας — μπορούν να «δανειστούν» προσωρινά την ενέργεια του φωτονίου. Σκέψου το σαν σκυταλοδρομία: η σκυτάλη περνάει σε έναν συμπαίκτη για λίγο, και μετά συνεχίζει.

Εδώ αρχίζει το ενδιαφέρον. Λόγω της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg (ναι, αυτής που ξέρεις), όταν ένα φωτόνιο έχει πολύ ακριβή ενέργεια — που χρειάζεται για να αλληλεπιδράσει με τα άτομα — ο χρόνος γίνεται θολός. Δεν μπορείς να προσδιορίσεις ακριβώς πότε μπήκε στο σύννεφο. Μόνο κατά μέσο όρο.

Το παράξενο αποτέλεσμα

Οι ερευνητές έκαναν αυτό που κάνει κάθε σωστός φυσικός: μέτρησαν πότε τα φωτόνια βγήκαν από την άλλη πλευρά και το σύγκριναν με το πότε θα έπρεπε να φτάσουν αν ταξίδευαν με την ταχύτητα του φωτός.

Η απάντηση; Τα φωτόνια έφταναν νωρίτερα. Όχι λίγο νωρίτερα — τόσο νωρίς που αν υπολόγιζες πόση ώρα πέρασαν μέσα στο σύννεφο, έβγαινε αρνητικός αριθμός. Έβγαιναν πριν μπουν.

Δεν είναι καινούργια γνώση αυτό. Φυσικοί το είχαν δει δεκαετίες πριν. Αλλά όλοι έλεγαν το ίδιο πράγμα: «Μην ανησυχείς. Είναι απλά μια ψευδαίσθηση. Μόνο η μπροστινή ακμή της δέσμης φωτός περνάει ανεπηρέαστη, κι έτσι φαίνεται σαν αρνητικός χρόνος.»

Η εξήγηση δουλεύει μαθηματικά. Αλλά ένας ερευνητής — ο Aephraim Steinberg από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο — δεν έμεινε ικανοποιημένος. Ήθελε να μάθει τι έχουν να πουν τα ίδια τα άτομα για το πόση ώρα έμεινε το φωτόνιο.

Ρωτώντας τα άτομα

Αυτό το μέρος με συγκινεί. Πώς ρωτάς ένα άτομο πόση ώρα έμεινε ένα φωτόνιο;

Το κόλπο λέγεται «ασθενής μέτρηση». Στέλνεις μια ξεχωριστή ασθενή δέσμη λέιζερ μέσα από το σύννεφο την ώρα που περνάει το φωτόνιο. Αυτή η δέσμη «μαθαίνει» μικροσκοπικές αλλαγές στην κβαντική κατάσταση των ατόμων — δείχνει αν τα άτομα διεγέρθηκαν από την ενέργεια του φωτονίου.

Τώρα, η λεπτή ισορροπία: αν μετρήσεις πολύ ακριβώς, καταρρέει το κβαντικό σύστημα και δεν γίνεται η αλληλεπίδραση που θέλεις να μελετήσεις (αυτό είναι το διάσημο κβαντικό φαινόμενο Zenon — το να παρατηρείς κάτι πολύ στενά αλλάζει τη συμπεριφορά του). Οπότε οι ερευνητές δέχτηκαν έναν συμβιβασμό: ανακρίβειες μετρήσεις, αλλά βαθμονομημένες τόσο προσεκτικά που ο μέσος όρος εκατομμυρίων επαναλήψεων έδινε ακριβή αποτελέσματα.

Και εδώ έρχεται η στιγμή «ουάου»: όταν μέτρησαν την οπτική των ατόμων, ο μέσος «χρόνος παραμονής» — πόση ώρα η ενέργεια του φωτονίου κάθησε στα άτομα — ταίριαζε με τον αρνητικό χρόνο που υπέδειξαν οι μετρήσεις εξόδου των φωτονίων.

Άρα... ο χρόνος είναι αρνητικός;

Πρέπει να φρενάρω λίγο εδώ, γιατί δεν θέλω να νομίσεις ότι οι φυσικοί ανακάλυψαν ταξίδι στον χρόνο ή ότι κάναμε λάθος στην αιτιότητα.

Η ειλικρινής απάντηση είναι ότι ο «αρνητικός χρόνος» σε αυτό το πλαίσιο είναι ένα μαθηματικό κατασκεύασμα που προκύπτει από τον τρόπο που ορίζουμε και μετράμε τον χρόνο στα κβαντικά συστήματα. Είναι πραγματικός με την έννοια ότι τα μαθηματικά το προβλέπουν και τα πειράματα το επιβεβαιώνουν. Αλλά τι σημαίνει φιλοσοφικά; Αυτό είναι ακόμα υπό συζήτηση.

Κάποιοι φυσικοί το βλέπουν σαν παράξενο σημείο του ορισμού «χρόνος παραμονής σε μια περιοχή» — ένας ορισμός που δουλεύει μια χαρά στην καθημερινότητα αλλά γίνεται περίεργος στον κόσμο της κβαντομηχανικής. Άλλοι, σαν τον Steinberg, παίρνουν το αποτέλεσμα πιο κυριολεκτικά και πιστεύουν ότι ίσως χρειαστεί να επανεξετάσουμε τις βασικές μας υποθέσεις.

Γιατί έχει σημασία

Αυτό που με ενθουσιάζει γενικά είναι ότι μας υπενθυμίζει πως η πραγματικότητα σε κβαντικό επίπεδο είναι παράξενη. Όχι μεταφορικά παράξενη. Όχι «λίγο αντιφατική». Πραγματικά, γνήσια παράξενη με τρόπους που οι ανθρώπινες διαίσθησεις μας απλά δεν μπορούν να συλλάβουν.

Τείνουμε να πιστεύουμε ότι η φυσική έχει λύσει τα πάντα στο θεμελιώδες επίπεδο. Και ναι, έχουμε κάνει τεράστια πρόοδο. Αλλά πειράματα σαν αυτό μας δείχνουν ότι το σύμπαν έχει ακόμα στρώματα που δεν έχουμε ξεφλουδίσει πλήρως.

Επίσης, μου αρέσει απλά ότι αυτή η ιστορία περιλαμβάνει επιστήμονες που ρωτάνε τα άτομα για την «μαρτυρία» τους. «Συγγνώμη, κύριε Άτομε, πόση ώρα έμεινε αυτό το φωτόνιο;» Και το άτομο, με τον κβαντικό του τρόπο, απαντάει «αρνητικά πέντε χρόνια» — για να δανειστώ τη σύγκριση με τον Όμηρο που έκαναν οι ίδιοι οι ερευνητές.

Αυτού του είδους η επιστημονική δημιουργικότητα — η διάθεση να ρωτήσεις ένα σύστημα με απρόσμενο τρόπο — είναι αυτή που φέρνει τις πραγματικές ανακαλύψεις.

Οπότε την επόμενη φορά που κάποιος σου πει ότι η φυσική είναι όλα κατανοημένα και βαρετά, στείλε τον σε αυτό το πείραμα. Το φως μπορεί να βγει πριν μπει. Τα άτομα θα το επιβεβαιώσουν. Και ειλικρινά; Αυτό είναι υπέροχο.