Фотоны, которые ушли раньше, чем пришли

Буду честен — физика часто кажется скучной и далёкой от реальности. Но иногда случается такое, что даже видавшие виды учёные чешут затылки и не верят своим глазам. Сегодня как раз такой случай.

Исследователи опубликовали результаты эксперимента, которые ставят в тупик: фотоны — те самые частицы света, летящие со скоростью 186 000 миль в секунду — могут покинуть материал раньше, чем они в него вошли. Да, я сам несколько раз перечитал эту фразу. Давайте разберёмся.

Как это работает

Представьте: вы запускаете одиночный фотон в облако атомов. Логично предположить, что он пролетит насквозь. Но есть нюанс. Атомы могут на время «забирать» энергию фотона. Похоже на эстафету, где палочку передают друг другу, а потом бег продолжается.

Фотоны задерживаются в облаке в виде возбуждения атомов, а затем вылетают наружу. И вот тут начинается самое интересное.

Из-за принципа неопределённости Гейзенберга — того самого, знакомого по фильмам — когда фотон имеет очень точную энергию для взаимодействия с атомами, его временные характеристики становятся размытыми. Нельзя точно сказать, когда он вошёл. Можно знать только среднее значение.

Странный результат

Исследователи сделали то, что сделал бы любой добросовестный физик: замерили, когда фотоны вышли с другой стороны, и сравнили с ожидаемым временем при скорости света.

Результат ошеломил. Фотоны появлялись раньше срока. Причём настолько раньше, что если посчитать, сколько времени они провели внутри облака, получалось отрицательное число. Они уходили до того, как войти.

Ничего принципиально нового в этом нет — намёки на эффект появились десятилетия назад. Но тогда все говорили: «Не паникуйте, это иллюзия. Просто передний край светового импульса проходит без рассеяния, вот и кажется, что время отрицательное».

Математически объяснение работает. Но один исследователь — Эфраим Штейнберг из Торонтского университета — не удовлетворился. Он захотел узнать, что скажут сами атомы.

Спрашиваем у атомов

Тут начинается моя любимая часть. Как спросить атом, сколько там провисел фотон?

Метод называется «слабое измерение». Во время пролёта фотона через облако учёные пускали слабый лазерный луч. Этот луч улавливал крошечные изменения квантового состояния атомов — по сути, показывал, были ли атомы возбуждены энергией фотона.

Важный момент: если мерить слишком точно, квантовая система разрушится и исследуемое взаимодействие не произойдёт. Это знаменитый квантовый эффект Зенона — слишком пристальное наблюдение меняет результат.

Поэтому пришлось искать баланс. Измерения неточные, но тщательно откалиброванные. Миллионы повторов усреднялись, и результат получался надёжным.

И вот момент истины: с точки зрения атомов среднее «время пребывания» фотона совпало с отрицательным временем, которое показали измерения на выходе.

Так время真的有 отрицательным?

Спокойствие, только спокойствие. Физики не открыли машину времени. Причинная связь не нарушена.

«Отрицательное время» в данном случае — это математическая абстракция, возникающая из того, как мы определяем и измеряем время в квантовых системах. Математика предсказывает, эксперимент подтверждает. А что это значит философски — вопрос открытый.

Часть физиков считает это причудой определения «времени в области» — определения, которое прекрасно работает в обычной жизни, но ломается в квантовом мире. Другие, как Штейнберг, воспринимают результат более буквально и думают, что нам придётся пересмотреть базовые представления.

Почему это важно

Вот почему я искренне воодушевлён. Это напоминание, что реальность на квантовом уровне — странная. Не метафорически странная. Не «немного неожиданная». По-настоящему, головокружительно странная. Настолько, что наша интуиция, выросшая в мире макроскопических объектов, просто не способна к этому подготовиться.

Мы привыкли думать, что фундаментальная физика давно всё разложила по полочкам. Прогресс действительно колоссальный. Но такие эксперименты показывают: у вселенной ещё есть слои, которые мы не раскрыли.

А ещё мне нравится сама идея — спросить у атомов их показания. «Скажите, уважаемые атомы, сколько провисел там фотон?» И атом отвечает своим квантовым языком: «минус пять лет» — это если перевести на язык сравнения, которое использовали сами исследователи.

Такая научная изобретательность — готовность спрашивать систему неожиданным способом — и двигает настоящие открытия.

Так что если кто-то скажет, что физика — скучная и давно всё изучили, покажите им эту работу. Свет выходит до того, как войдёт. Атомы подтвердят. И знаете что? Это чертовски удивительно.