Όπως μας λέει ο Όμηρος, ο Οδυσσέας πραγματοποίησε ένα επικό ταξίδι, παρά τις αντιξοότητες, από την Τροία μέχρι την πατρίδα του, την Ιθάκη. Επισκέφθηκε πολλές χώρες, αλλά κυρίως έζησε με τη νύμφη Καλυψώ στο νησί της. Μπορούμε να φανταστούμε ότι η σύζυγός του, η Πηνελόπη, θα τον ρώτησε για εκείνη την περίοδο. Ο Οδυσσέας ίσως να απάντησε: «Δεν ήταν τίποτα. Στην πραγματικότητα, ήταν λιγότερο από τίποτα. Έζησα με την Καλυψώ για αρνητικά πέντε χρόνια. Πώς αλλιώς θα μπορούσα να φτάσω στο σπίτι έπειτα από μόλις δέκα χρόνια; Αν δεν με πιστεύεις, ρώτησέ την».
Τα κβαντικά σωματίδια, όπως αποδεικνύεται, είναι εξίσου πονηρά με τον Οδυσσέα, όπως αποδείχθηκε σε πείραμα που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters. Όχι μόνο ο χρόνος άφιξής τους υποδηλώνει ότι έζησαν με άλλα σωματίδια για αρνητικό χρονικό διάστημα, αλλά αν ρωτήσει κανείς αυτά τα άλλα σωματίδια, θα επιβεβαιώσουν την ιστορία.
Φωτόνια που παραμένουν στα άτομα
Το πείραμα χρησιμοποίησε φωτόνια —κβαντικά σωματίδια φωτός— και το απίθανο ταξίδι που πρέπει να διανύσουν για να διαπεράσουν ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου.
Αυτά τα άτομα έχουν «συντονισμό» με τα φωτόνια, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτονίου μπορεί να μεταφερθεί προσωρινά στα άτομα ως ατομική διέγερση. Αυτό επιτρέπει στο φωτόνιο να «παραμείνει» στο ατομικό νέφος για κάποιο χρονικό διάστημα πριν απελευθερωθεί.
Για να είναι αποτελεσματικός αυτός ο συντονισμός, το φωτόνιο πρέπει να έχει μια καλά καθορισμένη ενέργεια, που να ταιριάζει με την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να τεθεί ένα άτομο ρουβιδίου σε διεγερμένη κατάσταση.
Ωστόσο, σύμφωνα με μια μορφή της περίφημης αρχής της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, αν η ενέργεια του φωτονίου είναι καλά καθορισμένη, τότε ο χρόνος του πρέπει να είναι αβέβαιος: ο παλμός φωτός που καταλαμβάνει το φωτόνιο πρέπει να έχει μεγάλη διάρκεια. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ακριβώς πότε το φωτόνιο εισέρχεται στο νέφος, αλλά μπορούμε να γνωρίζουμε κατά μέσο όρο πότε εισέρχεται.
Εάν ένα φωτόνιο όπως αυτό εκτοξευθεί στο νέφος, το πιο πιθανό αποτέλεσμα είναι ότι η ενέργειά του θα μεταφερθεί στα άτομα και στη συνέχεια θα ανακλαστεί ως φωτόνιο που ταξιδεύει σε τυχαία κατεύθυνση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το φωτόνιο διασκορπίζεται και δεν καταφέρνει να φτάσει στον προορισμό του.
Χρόνοι άφιξης των φωτονίων
Αν όμως το φωτόνιο καταφέρει να διαπεράσει το νέφος, συμβαίνει κάτι παράξενο. Με βάση τον μέσο χρόνο εισόδου του φωτονίου στο νέφος, μπορεί κανείς να υπολογίσει τον αναμενόμενο μέσο χρόνο άφιξής του στην απέναντι πλευρά του νέφους, υποθέτοντας ότι κινείται με την ταχύτητα του φωτός (όπως συνήθως συμβαίνει με τα φωτόνια).
Αυτό που διαπιστώνει κανείς είναι ότι το φωτόνιο φτάνει στην πραγματικότητα πολύ νωρίτερα από αυτό. Στην πραγματικότητα, φτάνει τόσο νωρίς που φαίνεται να έχει περάσει αρνητικό χρόνο μέσα στο νέφος — να βγαίνει, κατά μέσο όρο, πριν εισέλθει.
Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες και παρατηρήθηκε σε ένα πείραμα το 1993. Ωστόσο, οι φυσικοί είχαν αποφασίσει ως επί το πλείστον να μην λάβουν σοβαρά υπόψη αυτόν τον αρνητικό χρόνο.
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μπορεί να εξηγηθεί λέγοντας ότι μόνο το μπροστινό μέρος του παλμού μακράς διάρκειας διαπερνά ευθεία το ατομικό νέφος, ενώ το υπόλοιπο διασκορπίζεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα επιτυχημένο (μη διασκορπισμένο) φωτόνιο να φτάνει νωρίτερα από ό,τι θα περίμενε κανείς αφελώς.
Ρωτώντας τα άτομα
Ωστόσο, ο Aephraim Steinberg, ένας από τους συγγραφείς της εν λόγω εργασίας του 1993, δεν δέχτηκε αμέσως αυτή την απόρριψη του αρνητικού χρόνου ως τεχνητού φαινομένου. Στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ήθελε να διαπιστώσει τι θα συνέβαινε αν ρωτούσε τα άτομα ρουβιδίου στο νέφος για να μάθει πόσο χρόνο είχε παραμείνει το φωτόνιο ανάμεσά τους ως διεγερμένη κατάσταση.
Ύστερα από ένα αρχικό πείραμα με ασαφή αποτελέσματα, ζήτησε από τον Howard Wiseman, ως θεωρητικό της κβαντικής φυσικής, να τον βοηθήσει να καταλάβει τι να περιμένει.
Όταν οι επιστήμονες μιλάνε για «ρωτώντας τα άτομα», αυτό σημαίνει στην πράξη να κάνουν συνεχώς μια μέτρηση στα άτομα ενώ το φωτόνιο διέρχεται από το νέφος, για να διερευνήσουν αν η ενέργεια του φωτονίου βρίσκεται εκεί εκείνη τη στιγμή. Υπάρχει όμως μια λεπτομέρεια εδώ: οι μετρήσεις στην κβαντική φυσική διαταράσσουν αναπόφευκτα το σύστημα που μετράται.
Αν ήθελαν να κάνουν μια ακριβή μέτρηση για το αν το φωτόνιο βρίσκεται στα άτομα σε κάθε χρονική στιγμή, θα εμπόδιζαν τα άτομα να αλληλεπιδράσουν με το φωτόνιο. Είναι σαν, απλώς παρακολουθώντας στενά την Καλυψώ, να την εμποδίζαν να βάλει χέρι στον Οδυσσέα (ή το αντίστροφο). Αυτό είναι το γνωστό κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα, το οποίο θα κατέστρεφε το ίδιο το φαινόμενο που θέλουν να μελετήσουν.
Το πείραμά μας
Η λύση είναι να πραγματοποιήσουν, αντ’ αυτού, μια πολύ ασαφή (αλλά εξακολουθεί να είναι πολύ ακριβώς βαθμονομημένη) μέτρηση. Αυτό είναι το τίμημα που πληρώνουν για να διατηρήσουμε τη διαταραχή αμελητέα. Συγκεκριμένα, εκπέμψαν μια ασθενή ακτίνα λέιζερ —χωρίς σχέση με τον παλμό του μεμονωμένου φωτονίου— μέσα από το νέφος των ατόμων και μετρήσαμε μικρές μεταβολές στη φάση του φωτός της ακτίνας για να διαπιστώσουν αν τα άτομα είχαν διεγερθεί.
Κάθε μεμονωμένη εκτέλεση του πειράματος δίνει μόνο μια πολύ ασαφή ένδειξη για το αν το φωτόνιο παρέμεινε στα άτομα, αλλά ο μέσος όρος εκατομμυρίων εκτελέσεων δίνει έναν ακριβή χρόνο παραμονής.
Εκπληκτικά, το αποτέλεσμα αυτής της αδύναμης μέτρησης του χρόνου παραμονής, όταν το φωτόνιο διαπερνά κατευθείαν το νέφος, ισούται ακριβώς με τον αρνητικό χρόνο που υποδηλώνει ο μέσος χρόνος άφιξης των φωτονίων. Πριν από αυτό το πείραμα, κανείς δεν υποψιάστηκε ότι αυτοί οι δύο χρόνοι, μετρούμενοι με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, θα ήταν ίσοι.
Κρίσιμα, η αρνητική τιμή του χρόνου παραμονής που μετρήθηκε με τον αδύναμο τρόπο δεν μπορεί να εξηγηθεί φανταζόμενοι ότι μόνο το μπροστινό μέρος του παλμού του φωτονίου περνάει, σε αντίθεση με τον χρόνο που συνάγεται από τον χρόνο άφιξης.
Τι σημαίνουν λοιπόν όλα αυτά; Μήπως η μηχανή του χρόνου είναι προ των πυλών; Δυστυχώς, όχι. Το πείραμά εξηγείται πλήρως από την κλασική φυσική.
Αλλά δείχνει ότι ο αρνητικός χρόνος παραμονής δεν είναι τεχνούργημα. Όσο παράδοξο και αν φαίνεται, έχει μια άμεσα μετρήσιμη επίδραση στο ατομικό νέφος που διατρέχει το φωτόνιο. Και υπενθυμίζει ότι υπάρχουν ακόμα εδάφη να ανακαλύψουμε στην Οδύσσεια που είναι η κβαντική έρευνα.
