قياس الفيزيائيين للزمن السلبي في المختبر

كما يخبرنا هومر، قام أوديسيوس برحلة ملحمية، ضد كل التوقعات، من طروادة إلى منزله في إيثاكا. زار العديد من الأراضي، لكنه أقام في الغالب مع النيمف كاليبسو على جزيرتها.

يمكننا أن نتخيل أن زوجته، بينيلوب، كانت ستسأله عن تلك الفترة الزمنية المحددة. قد يجيب أوديسيوس: “لم يكن هناك شيء. في الواقع، كان أقل من لا شيء. خمسة أعوام سلبية قضيتها مع كاليبسو. كيف يمكن أن أكون قد عدت إلى المنزل بعد عشر سنوات فقط؟ إذا كنت لا تصدقني، اسألها.”

تظهر التجارب أن الجسيمات الكمومية، مثل أوديسيوس، تتمتع بمكر خاص، كما أظهر زملائي وأنا في تجربة نُشرت في مراجعات الفيزياء. ليس فقط أن وقت وصولها يوحي بأنها قضت مع جسيمات أخرى لفترة زمنية سلبية، ولكن إذا سألت تلك الجسيمات الأخرى، فسوف تؤكد القصة.

فوتونات تقضي الوقت مع الذرات

استخدمت تجربتنا فوتونات – الجسيمات الكمومية للضوء – ورحلتها ضد كل التوقعات التي يجب أن تقوم بها للمرور مباشرة عبر سحابة من ذرات الروبيديوم.

تتمتع هذه الذرات بـ “رنين” مع الفوتونات، مما يعني أن طاقة الفوتون يمكن أن تُنقل مؤقتًا إلى الذرات كتحفيز ذري. وهذا يسمح للفوتون “بالإقامة” في السحابة الذرية لفترة قبل أن يتم إطلاقه.

لكي يكون هذا الرنين فعالًا، يجب أن يكون للفوتون طاقة محددة جيدًا، تتطابق مع كمية الطاقة المطلوبة لوضع ذرة روبيديوم في حالة مثارة.

لكن، من خلال شكل من أشكال مبدأ عدم اليقين الشهير لهايزنبرغ، إذا كانت طاقة الفوتون محددة جيدًا، فإن توقيته يجب أن يكون غير مؤكد: يجب أن يكون لنبضة الضوء التي يحتلها الفوتون مدة طويلة. وهذا يعني أننا لا نستطيع أن نعرف بالضبط متى يدخل الفوتون السحابة، لكن يمكننا أن نعرف في المتوسط متى يدخل.

إذا تم إطلاق فوتون مثل هذا في السحابة، فإن النتيجة الأكثر احتمالًا هي أن طاقته ستُنقل إلى الذرات ثم تُعاد انبعاثها كفوتون يسير في اتجاه عشوائي. في مثل هذه الحالات، يتم تشتيت الفوتون ويفشل في الوصول إلى إيثاكا الخاصة به.

أوقات وصول الفوتونات

لكن إذا نجح الفوتون في المرور مباشرة، يحدث شيء غريب. بناءً على الوقت المتوسط الذي يدخل فيه الفوتون السحابة، يمكن للمرء حساب الوقت المتوقع لوصوله إلى الجانب البعيد من السحابة، على افتراض أنه يسير بسرعة الضوء (كما تفعل الفوتونات عادة).

ما نجده هو أن الفوتون يصل في الواقع في وقت أبكر بكثير من ذلك. في الواقع، يصل في وقت أبكر لدرجة أنه يبدو أنه قضى كمية سلبية من الوقت داخل السحابة – ليخرج، في المتوسط، قبل أن يدخل.

لقد كانت هذه الظاهرة معروفة لعقود وتم ملاحظتها في تجربة عام 1993. لكن الفيزيائيين قرروا في الغالب عدم أخذ هذا الوقت السلبي على محمل الجد.

ذلك لأن الأمر يمكن تفسيره بالقول إن الجزء الأمامي فقط من النبضة الطويلة المدة يمر مباشرة عبر السحابة الذرية، بينما يتم تشتيت الباقي. هذا يؤدي إلى وصول فوتون ناجح (غير مشوش) في وقت أبكر مما كان متوقعًا ببساطة.

سؤال الذرات

ومع ذلك، لم يكن آيفرايم شتاينبرغ، أحد مؤلفي تلك الورقة عام 1993، سريعًا في قبول هذا الرفض للوقت السلبي كأثر جانبي. في مختبره بجامعة تورونتو، أراد أن يعرف ما يحدث إذا استفسر عن ذرات الروبيديوم في السحابة لمعرفة كم من الوقت قضى الفوتون في الإقامة بينهم كتحفيز. بعد تجربة أولية مع نتائج غير حاسمة، طلب مني، كخبير في النظرية الكمومية، المساعدة في معرفة ما يمكن توقعه.

عندما نتحدث عن استفسار الذرات، ما يعنيه ذلك عمليًا هو إجراء قياس مستمر على الذرات أثناء مرور الفوتون عبر السحابة للتحقق مما إذا كانت طاقة الفوتون تقيم هناك حاليًا. لكن هناك دقة هنا: القياسات في الفيزياء الكمومية تزعج النظام الذي يتم قياسه حتمًا.

إذا كنا سنقوم بإجراء قياس دقيق لما إذا كان الفوتون يقيم في الذرات، في كل لحظة زمنية، فإننا سنمنع الذرات من التفاعل مع الفوتون. إنه كما لو أننا، بمجرد مراقبة كاليبسو عن كثب، نمنعها من الحصول على أوديسيوس (أو العكس). هذه هي ظاهرة زينو الكمومية المعروفة، التي ستدمر الظاهرة التي نريد دراستها.

تجربتنا

الحل هو إجراء قياس غير دقيق (لكن لا يزال دقيقًا للغاية). هذا هو الثمن المدفوع للحفاظ على الاضطراب ضئيلًا. على وجه التحديد، أطلقنا شعاع ليزر ضعيف – غير مرتبط بنبضة الفوتون الفردية – عبر سحابة الذرات، وقمنا بقياس تغييرات صغيرة في مرحلة ضوء الشعاع للتحقق مما إذا كانت الذرات مثارة.

أي تشغيل فردي للتجربة يعطي فقط مؤشرًا تقريبيًا جدًا لما إذا كان الفوتون قد أقام في الذرات، لكن متوسط ملايين العمليات يعطي وقت إقامة دقيق.

من المدهش أن نتيجة هذا القياس الضعيف لوقت الإقامة، عندما يمر الفوتون مباشرة عبر السحابة، تساوي تمامًا الوقت السلبي الذي اقترحته أوقات وصول الفوتونات المتوسطة. قبل عملنا، لم يكن أحد يشك في أن هذين الوقتين، المقيسين بطرق مختلفة تمامًا، سيكونان متساويين.

من المهم أن القيمة السلبية لوقت الإقامة المقاس بشكل ضعيف لا يمكن تفسيرها من خلال تخيل أن الجزء الأمامي فقط من نبضة الفوتون يمر، على عكس الوقت المستنتج من وقت الوصول.

فماذا يعني كل هذا؟ هل آلة الزمن قريبة؟

للأسف، لا. تجربتنا تفسر بالكامل من خلال الفيزياء القياسية.

لكنها تُظهر أن الوقت السلبي ليس أثرًا جانبيًا. مهما بدا متناقضًا، فإنه له تأثير قابل للقياس مباشرة على السحابة الذرية التي يمر بها الفوتون. ويذكرنا أنه لا تزال هناك أراضٍ لاكتشافها في الأوديسة التي هي البحث الكمومي.