Τα φωτόνια φαινόταν να εξέρχονται πριν… εισέλθουν σε υπερψυχρό νέφος ατόμων
του Θόδωρου Κουτσουμπού
Η κβαντική φυσική πάντα εκπλήσσει με τα περίεργα φαινόμενά της που συχνά φαίνονται ακατανόητα και παράλογα, αφού παραβιάζουν όλους τους κανόνες της -τυπικής- λογικής. Το φως π.χ, άλλοτε συμπεριφέρεται σαν κύμα, άλλοτε σαν σωματίδιο και μερικές φορές η συμπεριφορά του είναι δύσκολο να κατανοηθεί.
Για να μην αναφέρουμε το φαινόμενο του κβαντικού εναγκαλισμού (ή κβαντικής διεμπλοκής), που τόσες διαμάχες έχει προκαλέσει – μέχρι να κερδίσουν βραβείο Νόμπελ το 2022 τρεις εμπνευσμένοι ερευνητές του ή το παλιότερο νοητικό πείραμα με τη γάτα του Σρέντινγκερ.
Τώρα, ένα άλλο φαινόμενο εμφανίζεται, που εισάγει τον αρνητικό χρόνο. Ομάδα φυσικών του Πανεπιστημίου του Τορόντο, με επικεφαλής την Daniela Angulo, ανακάλυψαν ένα άλλο δισεξήγητο φαινόμενο: τα φωτόνια (κβάντα -φορείς ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης- με τα οποία γίνεται η διάδοση του φωτός και όλων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων) μπορούν να περνούν μέσα από ένα εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας νέφος ατόμων σε αρνητικό χρόνο. Είναι σαν να εξέρχονται πριν… εισέλθουν!
Αυτή η ανακάλυψη έγινε κατά τη διάρκεια ενός πειράματος, τα αποτελέσματα του οποίου δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί, όμως έχουν ήδη εκπλήξει την επιστημονική κοινότητα.
Η ιδέα για τη μελέτη ξεκίνησε το 2017, όταν μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Ephraim Steinberg άρχισε να ερευνά το πώς τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με την ύλη καθώς περνούν μέσα από αυτήν. Εκείνη την εποχή, ο Steinberg και ο συνεργάτης του, τότε διδακτορικός φοιτητής, Josiah Sinclair, που τώρα κάνει το μεταδιδακτορικό του στο ΜΙΤ, ενδιαφέρθηκαν για την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης : όταν τα φωτόνια περνούν από ένα μέσο, ηλεκτρόνια των ατόμων του μέσου διεγείρονται και μεταπηδούν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, σε μια ασταθή κατάσταση. Όταν τα διεγερμένα ηλεκτρόνια επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, απελευθερώνουν την απορροφούμενη ενέργεια με επανεκπομπή ενός φωτονίου, εισάγοντας μια χρονική καθυστέρηση στον παρατηρούμενο χρόνο διέλευσης του φωτονίου μέσω του μέσου. Η ομάδα προσπάθησε να μετρήσει το χρόνο που χρειάζονται τα φωτόνια για να διεγείρουν τα άτομα στο μέσο και αν αυτός ο χρόνος εξαρτάται από το αν το φωτόνιο απορροφήθηκε ή απλώς πέρασε από την ουσία χωρίς αλληλεπίδραση.
Μετά από τρία χρόνια σχεδιασμού, η ομάδα ανέπτυξε μια συσκευή για να δοκιμάσει αυτήν την ερώτηση στο εργαστήριο. Τα πειράματά τους περιελάμβαναν εκτοξεύσεις φωτονίων μέσα σε ένα νέφος υπερψυχρών ατόμων ρουβιδίου και μέτρηση του προκύπτοντος βαθμού ατομικής διέγερσης. Δύο εκπλήξεις προέκυψαν από το πείραμα: Μερικές φορές τα φωτόνια περνούσαν μέσα από το ατομικό νέφος χωρίς αλληλεπίδραση, ωστόσο τα άτομα ρουβιδίου εξακολουθούσαν να διεγείρονται – και για όσο διάστημα κι αν είχαν απορροφήσει αυτά τα φωτόνια. Ακόμα πιο περίεργο, φωτόνια που απορροφήθηκαν, φαινόταν να εκπέμπονται ξανά σχεδόν αμέσως, πολύ πριν τα άτομα ρουβιδίου επιστρέψουν στη θεμελιώδη τους κατάσταση – ήταν σαν τα φωτόνια, κατά μέσο όρο, να έφευγαν από τα άτομα πιο γρήγορα από το αναμενόμενο.
Στη συνέχεια, η ομάδα συνεργάστηκε με τον Howard Wiseman, έναν θεωρητικό κβαντικό φυσικό του Πανεπιστημίου Griffith της Αυστραλίας, για τη θεωρητική ερμηνεία του φαινομένου. Το θεωρητικό πλαίσιο που προέκυψε έδειξε ότι ο χρόνος που πέρασαν αυτά τα μεταδιδόμενα φωτόνια σε ατομική διέγερση ταίριαζε τέλεια με την αναμενόμενη ομαδική καθυστέρηση που αποκτήθηκε από το φως – ακόμα και για περιπτώσεις που φαινόταν ότι τα φωτόνια επανεκπέμφθηκαν πριν από την ατομική διέγερση.
Η απάντηση αποδείχθηκε απροσδόκητη: τα φωτόνια μπορούν να «παρακάμψουν» τα άτομα χωρίς να αλληλεπιδράσουν μαζί τους, αλλά ταυτόχρονα τα άτομα εξακολουθούν να πηγαίνουν σε διεγερμένη κατάσταση. Το πιο εκπληκτικό ήταν ότι μερικές φορές φωτόνια εκπέμπονταν πριν τα άτομα επιστρέψουν στην κανονική τους κατάσταση, γεγονός που έκανε τους ερευνητές να υποθέσουν ότι τα φωτόνια φαινόταν να «φεύγουν» από τα άτομα γρηγορότερα από ό,τι ήταν φυσικά δυνατό.
Πάντως, παρά την αντιφατικότητα, η αρνητική χρονική καθυστέρηση δεν παραβιάζει καμία γνωστή αρχή της φυσικής, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Τα ευρήματα δεν υπονοούν ότι οι πληροφορίες ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως, αλλά ότι το πώς τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τα άτομα σε κβαντικό επίπεδο μπορεί να οδηγήσει σε απροσδόκητα και παράδοξα αποτελέσματα.
«Μια αρνητική χρονική καθυστέρηση μπορεί να φαίνεται παράδοξη, αλλά αυτό που σημαίνει είναι ότι αν κατασκευάσετε ένα “κβαντικό” ρολόι για να μετρήσετε πόσο χρόνο περνούν τα άτομα σε διεγερμένη κατάσταση, ο δείκτης του ρολογιού, υπό ορισμένες συνθήκες, θα μετακινηθεί προς τα πίσω και όχι προς τα εμπρός», λέει ο Sinclair. Με άλλα λόγια, ο χρόνος στον οποίο τα φωτόνια απορροφήθηκαν από τα άτομα είναι αρνητικός.
Τα πειράματα έχουν δείξει ότι ο αρνητικός χρόνος μπορεί να μετρηθεί. Αναμένονται, φυσικά, και άλλα πειράματα, όμως είναι σίγουρο ότι ένας νέος ορίζοντας ανοίγει στη διερεύνηση και κατανόηση της φύσης του χρόνου στο κβαντικό επίπεδο και, σε κάθε περίπτωση, έχουμε και ένα ακόμη από τα παράδοξα της κβαντικής φυσικής.
Στους Αρχαίους Έλληνες, όπως σε όλους τους γεωργικούς λαούς, ο χρόνος ήταν κυκλικός. Οι Εβραίοι, όμως, όπως και οι Ιρανοί, διαμόρφωσαν μια γραμμική αντίληψη του χρόνου, την οποία “κληρονόμησε” ο Χριστιανικός κόσμος και μάλιστα ήταν ουσιώδες μέρος της ιδεολογικής αντιπαράθεσής του με την “ειδωλολατρεία”. Η Νευτώνεια φυσική ενσωμάτωσε τον ευθύγραμμο χρόνο, ανεξάρτητο από τον χώρο και τα ουράνια σώματα (την ύλη). Επιπλέον, ο χρόνος της κλασικής φυσικής μπορεί κάλλιστα να είναι αντιστρέψιμος, κανένας νόμος δεν το απαγορεύει. Βέβαια, ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος επιβάλλει μόνο μία κατεύθυνση του χρόνου διαμορφώνοντας ένα “βέλος του χρόνου”. Συνέπειά του είναι το ότι κανένας ηλικιωμένος δεν μπορεί να γυρίσει πίσω στη βρεφική ηλικία… Η αντιστρεψιμότητα του χρόνου υπάρχει και στη φυσική του Αϊνστάιν. Η φυσική της Σχετικότητας θα διαμορφώσει μια δυναμική σχέση του χωρο-χρόνου με την ύλη με την πυκνότητα της ύλης να διαμορφώνει την κυρτότητα του χωροχρόνου της. Νεότερες αντιλήψεις, αναζητούν τη διακριτότητα και ασυνέχεια του χρόνου (και του χώρου), την “ατομική δομή” του χρόνου στη μικροκλίμακα του φυσικού κόσμου – μια αντίληψη που είχε προ χιλιάδων χρόνων εικάσει ο Εμπεδοκλής. Τώρα οι έρευνες στρέφονται στη δυνατότητα του χρόνου να αντιστρέφει τη “ροή” του στο θεμελιώδες κβαντικό επίπεδο. Τα ταξίδια στον κβαντικό κόσμο του άπειρα Μικρού –όπως και στον Μεγάκοσμο της αστροφυσικής, της αστρονομίας και του διαστήματος- αποτελούν πηγές νέας γνώσης, στο ατελεύτητο ταξίδι της κατανόησης του άπειρου -όχι αναγκαστικά ως προς τις διαστάσεις του- κόσμου μας.
