Когда речь заходит о квантовой физике, описывающей мир на уровне атомов и элементарных частиц, все кажется противоречащим нашему привычному пониманию реальности. Тем не менее эта область научных исследований давно прочно вошла в повседневную жизнь, а ученые продолжают открывать новые удивительные явления. Недавно исследовательская группа из Университета Торонто (Канада) и Университета Гриффита (Австралия) экспериментально доказала, что фотоны кванты света могут проводить «отрицательное количество времени» в облаке атомов. Новое открытие бросает вызов современным представлениям о том, как свет взаимодействует с материей и имеет фундаментальное значение для науки.
Фотоны безмассовые частицы, образующие видимый свет могут поглощаться атомами, через которые проходят.
Команда физиков только что открыла загадочное квантовое явление под названием «отрицательное время». В работе, опубликованной на сервере препринтов ArXiv, говорится, что ученые наблюдали фотоны, демонстрирующие странное временное поведение в результате так называемого возбуждения атомов. Напомним, что термин «возбуждение» в физике объясняет переход частицы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.
Если говорить несколько проще, то физики обнаружили, что фотоны физически выходят из среды до того, как войдут в нее. Это кажется парадоксальным, однако эффекты явления объясняются особенностями квантовой механики. Таким образом, международная исследовательская группа экспериментально доказала удивительный феномен: фотон, проходя через облако атомов, проводит там «отрицательное время».
Чтобы разобраться в результатах исследования, отметим, что когда свет проходит через материал, он в большинстве случаев задерживается там на некоторое время это явление физики называют положительной «групповой задержкой». Считается, что она связана с тем, сколько времени фотон проводит в возбужденном состоянии внутри атомов материала.
Читайте также:
Физики впервые наблюдали антигиперводород-4. Рассказываем что это
такое
Однако в некоторых случаях, особенно когда частота света близка к резонансной частоте атомов, групповая задержка может стать отрицательной. Это означает, что пик выходящего импульса света появляется раньше, чем без среды, что, однако, не подразумевает нарушение причинно-следственных связей или путешествие во времени.
Само явление связано с квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды и долгое время считалось парадоксальным, вызывая немало споров в академическом сообществе.
В рамках эксперимента команда применила перекрестный эффект Керра он связан с нелинейным взаимодействием между двумя световыми полями в среде, где одно поле влияет на показатель преломления для другого для измерения степени возбуждения атомов, вызванного проходящим фотоном.
Физики использовали два лазерных луча: сигнальный луч слабые когерентные импульсы света с малым средним числом фотонов, и зондирующий луч слабый и смещенный по частоте. Такой подход позволяет ученым проводить статистический анализ.
Когда сигнальный пучок фотонов проходил через облако атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, то на короткое время возбуждал атомы, позволяя измерить фазовый сдвиг и определить сколько времени фотоны «провели» в атомах.
Результаты эксперимента показали, что среднее время возбуждения атомов для проходящего пучка фотонов может быть отрицательным. Это означает, что эффект взаимодействия фотонов с атомами приводит к сокращению времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии (по сравнению с отсутствием взаимодействия).
Отрицательная временная задержка фотонов в атомной среде может показаться парадоксальной, но это означает, что если создать «квантовые» часы для измерения времени, которое атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных условиях будет двигаться назад, а не вперед», объясняет Джозайя Синклер из Университета Торонто, который не принимал участие в исследовании.
Авторы нового исследования также провели эксперименты с различными длительностями импульсов и оптическими плотностями облака и обнаружили, что среднее время возбуждения атомов, вызванное переданным пучком фотонов, соответствует групповой задержке.
Еще больше интересных статей читайте
на нашем канале в Яндекс.Дзен там регулярно выходят статьи,
которых нет на сайте!
Новое открытие имеет важное значение для фундаментальной физики. Дело в том, что отрицательное время пребывания фотонов в атомах бросает вызов традиционным представлениям о причинно-следственных связях и может привести к пересмотру некоторых аспектов квантовой оптики и теории распространения волн в средах с аномальной дисперсией.
Важно отметить, что физические законы не нарушаются: отрицательная групповая задержка обусловлена квантовыми интерференционными эффектами и дисперсионными свойствами среды, а не реальным ускорением фотонов. Однако суперпозиция и квантовые эффекты играют ключевую роль в понимании наблюдаемого явления.
Напомним, что в состоянии суперпозиции квантовые частицы, такие как фотоны, могут находиться в двух разных состояниях одновременно. Для детектора, измеряющего время входа и выхода фотонов из среды, это означает, что фотоны могут давать как положительные, так и отрицательные значения времени, что и приводит к понятию «отрицательного» времени.
Это интересно:
Физики впервые наблюдали редкий распад бозона Хиггса. Почему это
важно?
Полученные в рамках исследования результаты показали, что отрицательные значения времени (такие как групповая задержка), имеют более глубокий физический смысл, чем считалось ранее, что может привести к прорыву в области квантовых технологий, в основе работы которых лежит взаимодействие света и материи.
Авторы отметили, что их поразило отсутствие единого мнения среди экспертов о том, что происходит с отдельным фотоном во время задержки.
Не пропустите:
Физики работают над новой теорией гравитации какую роль в ней
играет темная материя?
Таким образом, наблюдаемое отрицательное время пучка фотонов, проходящего через облако ультрахолодных атомов, не меняет нашего привычного понимания времени, однако открытие само по себе удивительно, а будущие исследования в этой области могут привести к созданию новых технологий.
В конце апреля производитель веб-камер EarthCam опубликовал самую большую фотографию Нью-Йорка за всю историю. Большинство сделанных нами фотографий сняты на 12-мегапиксельные камеры смартфонов, т
При помощи профессионального фотоаппарата можно снять очень даже красивую фотографию Луны. Но чтобы на снимке можно было увидеть мельчайшие детали вроде кратеров и других неров
В фильмах про крутых детективов спецслужбы часто пользуются технологиями, которые позволяют наблюдать за людьми через космические спутники. Если по сюжету преступник берет лю
Сегодня мы выкладываем в социальные сети миллиарды фотографий в день, а ведь фотоаппараты были изобретены относительно недавно, в конце XIX века. Производители техники пос