Die Quantenphysik ist ein Bereich, in dem die Intuition oft durch Konzepte auf die Probe gestellt wird, die der grundlegendsten Logik zu widersprechen scheinen. Wir können den Welle-Teilchen-Dualismus anführen, wonach sich Objekte wie Elektronen und Photonen manchmal wie Teilchen, manchmal wie Wellen verhalten können, je nachdem, wie sie beobachtet werden. Dank des Prinzips der Quantenüberlagerung können Teilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, während andere aufgrund der Quantenverschränkung – dem berühmten Prinzip der Quantenverschränkung – unabhängig von der Entfernung, die sie voneinander trennt, in Korrelation zueinander stehen können. gruselige Aktion aus der Ferne » von Einstein erwähnt.
Kürzlich haben Physiker der Universität Toronto diesem bereits gut gefüllten Katalog an Kuriositäten ein atemberaubendes neues Phänomen hinzugefügt. In einer von Scientific American entdeckten Studie beobachteten sie, dass Photonen, die bei sehr niedrigen Temperaturen eine Atomwolke passieren, austreten können, bevor sie überhaupt eintreten – mit anderen Worten, sie können dort eine negative Zeitspanne verbringen. !
Eine Frage der Aufregung
Der Grundstein für diese Arbeit wurde 2017 gelegt, als der Physiker Aephraim Steinberg sich mit den Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie befasste. Genauer gesagt interessierte er sich fürAnregung von Atomen. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem sich ein Elektron am Rande eines Atomkerns vorübergehend auf ein höheres Energieniveau bewegt, indem es die Energie eines Photons absorbiert. Anschließend wird diese überschüssige Energie im Allgemeinen abgeführt ein neues Photon aussendetum das Gleichgewicht wiederherzustellen und zu dem zurückzukehren, was wir es nennen Grundzustand.
Um dies zu veranschaulichen, können Sie sich eine Klasse von Studenten relativ ruhig, also in ihrem Grundzustand, vorstellen. Stellen Sie sich dann vor, dass der Naturwissenschaftslehrer den Raum betritt, die Arme voller unbekanntem Material, und damit auf eine besonders unterhaltsame Unterrichtsstunde hinweist. Wir können dies mit der Ankunft des Photons vergleichen; Dies versetzt die Klasse in einen aufgeregten Zustand mit höherer Energie als die ruhige, fleißige Atmosphäre, die zuvor herrschte. Angesichts dieser unhaltbaren Situation ist der Professor gezwungen, das Gleichgewicht wiederherzustellen. Er beendet diesen Aufruhr, indem er die fragliche Ausrüstung wegräumt und dann erklärt, dass sie für die nächste Klasse bestimmt sei; Diese Schüler werden tatsächlich eine Stunde damit verbringen, Übungen zu machen. Die Aufregung lässt sofort nach und die Klasse zeigt ihre Enttäuschung mit einem kollektiven Protest, der mit der Emission eines neuen Photons vergleichbar ist.
Dieses Phänomen tritt nicht sofort auf: Es gibt ein kurze Verzögerung zwischen Anregung und Rückkehr in den Grundzustand was zur Emission des neuen Photons führt. Dies führt zu einer leichten Verzögerung der Lichtausbreitung, und diese Verzögerung wollte Steinbergs Team messen. Ziel dieses Ansatzes war es Bestimmen Sie, was in diesem Szenario aus dem ursprünglichen Photon wird: Wird es unwiderruflich von der Materie absorbiert oder wird es übertragen, ohne wirklich mit den Atomen zu interagieren?
Steinberg und sein Team dachten zunächst, es sei relativ einfach, diese Frage zu beantworten, die er wie folgt beschreibt: „ Basic » – aber es stellte sich als viel komplexer heraus als erwartet. „ Je mehr Leute wir befragten, desto klarer wurde uns, dass jeder seine eigene Intuition oder Vermutung hatte und dass es unter den Experten keinen wirklichen Konsens gab », erklärt er Wissenschaftlicher Amerikaner.
Ein Paradox, das das Pulver entzündete
Das kanadische Labor begab sich daher auf eine dreijährige Suche nach einem methodisch fundierten Test, um endlich eine solide Antwort zu erhalten. Bei dem betreffenden Experiment geht es also darum, Photonen durch eine Wolke aus Rubidiumatomen bei sehr niedriger Temperatur zu beschleunigen Messen Sie die Anregungszeit dieser Atome nach dem Durchgang des Teilchens. Das Team hoffte auf eine endgültige Antwort, doch stattdessen erlebten sie zwei große Überraschungen.
Zunächst beobachteten sie, dass das Photon manchmal ohne erkennbare Veränderung durch die Wolke ging, aber angeregte Atome zurückließ, als ob es absorbiert worden wäre. Vor allem aber schienen Photonen absorbiert zu werden, wenn sie tatsächlich absorbiert wurden wird fast sofort wieder emittiert, lange bevor das Rubidiumatom in seinen Grundzustand zurückkehrt.
Dies bedeutet, dass die Reise einiger Photonen vor dem Ende der Anregung endet, die das betreffende Photon entstehen lassen soll. Mit anderen Worten, sie kommen an ihrem Ziel an avantgardistisch in dem Moment, in dem sie gehen sollenund wir erhalten a negativer Zeitwert ! Um auf das Beispiel im Klassenzimmer zurückzukommen: Es ist, als würden die Schüler anfangen, sich zu beschweren, bevor sie überhaupt wissen, dass der Lehrer ihnen Übungen aufteilen wird.
Quantenüberlagerung zur Rettung
Offensichtlich verwirrte dieses Ergebnis die Forscher. Sie forderten daher Howard Wiseman, einen australischen Spezialisten für Quantenphysik, auf, einen Fehler in diesem Modell zu finden, der völlig abweichend schien. Gemeinsam kamen sie zu dem Schluss, dass die Verzögerung der Photonenausbreitung statistisch gesehen vollkommen mit der Theorie übereinstimmte – selbst in Fällen, in denen das Photon früher als erwartet wieder emittiert wurde. Dies beruhigte Steinberg und seine Kollegen; Alles deutete darauf hin, dass sie es getan hatten haben bei ihren Berechnungen und Vorhersagen keine Fehler gemacht. Aber es war immer noch notwendig, den Ursprung dieser furchtbar kontraintuitiven theoretischen Vorhersagen zu ermitteln.
Das Team hat daher ein neues Experiment ins Leben gerufen, um sich wieder dem Grundproblem zuzuwenden: herauszufinden, ob die Photonen die Wolke tatsächlich ohne Wechselwirkung passieren oder ob sie absorbiert werden und so die betreffenden Atome anregen, bevor sie wieder emittiert werden.
Um dies zu erreichen, baute das Team ein neues Experiment auf, das auf einem weiteren großen Klassiker der Quantenphysik basiert. Als Quantenobjekte können Photonen dienen anfällig für das Überlagerungsphänomen, bei dem die beiden Szenarien gleichzeitig stattfinden – und in dieser Überlagerung liegt der Schlüssel zum Problem.
« Wenn Sie ein durchgelassenes Photon beobachten, können Sie nicht feststellen, welches Szenario richtig ist. Am Ende misst das Instrument sowohl einen Nullwert als auch einen kleinen positiven Wert », erklärt Steinberg im Scientific American. Doch in manchen Fällen gerät das Messgerät ins Wanken. „ Er gelangt in einen Zustand, in dem wir nicht „Null plus etwas Positives“, sondern „Null minus etwas Positives“ erhalten und wir erhalten dann einen negativen Wert für die Erregungszeit “, fasst er zusammen.
Mit anderen Worten: Alles deutet darauf hin Die Zeitspanne, in der Photonen von Atomen absorbiert wurden, kann in manchen Fällen sogar negativ sein.
Keine Zeitreise … aber große Versprechen für die Quantenphysik
Im weiteren Sinne deutet dies darauf hin, dass sich Photonen in der Wolke schneller bewegen, wenn sie anhalten, um Atome anzuregen, als wenn sie sich direkt weiterbewegen, ohne Zeit mit der Interaktion zu verbringen.
Dies ist eine äußerst kontraintuitive, paradoxe Vorstellung. Die Auswirkungen sind schwer zu begreifen. Die Autoren hielten es daher für notwendig, eine wichtige Klarstellung vorzunehmen: Dieses Phänomen hat keinen Einfluss auf unser Verständnis der Zeit selbst. Diese Ergebnisse bedeuten nicht, dass Photonen beginnen, die durch Einsteins spezielle Relativitätstheorie definierte Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten, und sie öffnen nicht den Weg für eine Methode, die es uns ermöglichen würde, die Zeit zurückzudrehen.
Andererseits wirft dies alles sehr spannende neue Fragen zum Verhalten von Photonen auf. Diese Messungen könnten Physiker dazu zwingen, die Auswirkungen der Lichtverzögerung im Zusammenhang mit der Absorption, Anregung und Wiederemission von Photonen zu überdenken – mit möglicherweise sehr wichtigen Auswirkungen auf mehrere Disziplinen, von der traditionellen Optik bis zur grundlegenden Quantenphysik. Es wird daher sehr interessant sein, künftige Arbeiten zu verfolgen, die sich mit diesem Gedanken befassen.
Der Artikel von Wissenschaftlicher Amerikaner ist hier verfügbar.
Den Text der Studie finden Sie hier.
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