Kuantum fizikçileri, tuhaf, görünüşte anlamsız fenomenlere aşinadır: atomlar ve moleküller bazen parçacık, bazen dalga gibi davranır; parçacıklar, büyük mesafelerde bile "uzaktan ürkütücü bir eylemle" birbirine bağlanabilir; ve kuantum nesneleri, Alice Harikalar Diyarında'daki Cheshire Kedisi'nin sırıtışından kendini ayırması gibi, kendilerini özelliklerinden ayırabilir. Şimdi Toronto Üniversitesi'nden Daniela Angulo liderliğindeki araştırmacılar, başka bir tuhaf kuantum sonucunu ortaya çıkardı: ışığın dalga parçacıkları olan fotonlar, soğutulmuş atomlardan oluşan bir bulutun içinden geçerek negatif miktarda zaman geçirebilirler. Başka bir deyişle, fotonlar bir malzemeye girmeden önce ondan çıkıyor gibi görünebilir.
Toronto Üniversitesi'nden fizikçi Aephraim Steinberg, X'te (eski adıyla Twitter) yeni çalışma hakkında yazdığı bir gönderide, "Olumlu miktarda zaman aldı, ancak fotonların atomların uyarılmış durumda negatif miktarda zaman geçirmesine neden olabildiğini gözlemlediğimiz deneyimiz sona erdi!" dedi. Bu çalışma, 5 Eylül'de ön baskı sunucusu arXiv.org'a yüklendi ve henüz hakem denetiminden geçmedi. Bu çalışma fikri 2017'de ortaya çıktı. O zamanlar Steinberg ve bir laboratuvar meslektaşı, o zamanlar doktora öğrencisi olan Josiah Sinclair, ışık ve maddenin etkileşimiyle ilgileniyorlardı, özellikle de atomik uyarılma adı verilen bir fenomenle: fotonlar bir ortamdan geçtiğinde ve emildiğinde, o ortamdaki atomların etrafında dönen elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine atlar. Bu uyarılmış elektronlar orijinal durumlarına geri döndüğünde, emilen enerjiyi yeniden yayılan fotonlar olarak serbest bırakırlar ve ışığın ortamdan gözlenen geçiş süresinde bir zaman gecikmesi yaratırlar.
Sinclair'in ekibi bu zaman gecikmesini (teknik olarak bazen "grup gecikmesi" olarak adlandırılır) ölçmek ve bunun o fotonun kaderine bağlı olup olmadığını öğrenmek istedi: Atom bulutu içinde dağılıp emilmiş miydi yoksa hiçbir etkileşim olmadan mı iletilmişti? Sinclair, "O zamanlar cevabın ne olduğundan emin değildik ve bu kadar temel bir şey hakkındaki böylesine temel bir sorunun cevabının kolay olması gerektiğini düşündük," diyor. "Ancak ne kadar çok insanla konuşursak, herkesin kendi sezgisi veya tahmini olmasına rağmen, doğru cevabın ne olacağı konusunda uzman bir fikir birliğinin olmadığını o kadar çok fark ettik." Bu gecikmelerin doğası o kadar garip ve sezgiye aykırı olabileceğinden, bazı araştırmacılar bu fenomeni ışıkla ilişkili herhangi bir fiziksel özelliği tanımlamak için etkili bir şekilde anlamsız olarak değerlendirmişti.
Üç yıllık planlamanın ardından ekibi, bu soruyu laboratuvarda test etmek için bir cihaz geliştirdi. Deneyleri, ultra soğuk rubidyum atomlarından oluşan bir buluttan fotonlar fırlatmayı ve ortaya çıkan atomik uyarılma derecesini ölçmeyi içeriyordu. Deneyden iki sürpriz ortaya çıktı: Bazen fotonlar zarar görmeden geçiyordu, ancak rubidyum atomları yine de uyarılmıştı ve bu uyarılma, fotonları emmişler gibi uzun sürüyordu. Daha da tuhafı, fotonlar emildiğinde, rubidyum atomları temel durumlarına dönmeden çok önce, neredeyse anında yeniden yayılıyor gibi görünüyorlardı; sanki fotonlar ortalama olarak atomları beklenenden daha hızlı terk ediyormuş gibi.
Ekip daha sonra Avustralya'daki Griffith Üniversitesi'nde teorik ve kuantum fizikçisi olan Howard Wiseman ile bir açıklama geliştirmek için iş birliği yaptı. Ortaya çıkan teorik çerçeve, bu iletilen fotonların atomik uyarım olarak geçirdiği zamanın, ışık tarafından edinilen beklenen grup gecikmesiyle mükemmel bir şekilde uyuştuğunu gösterdi; hatta fotonların atomik uyarım azalmadan önce yeniden yayılmış gibi göründüğü durumlarda bile.
Saçma bulguyu anlamak için, fotonları oldukları gibi bulanık kuantum nesneleri olarak düşünebilirsiniz; burada belirli bir fotonun atomik bir uyarım yoluyla emilimi ve yeniden emisyonu belirli bir sabit zaman miktarı boyunca gerçekleşmesi garanti edilmez; bunun yerine, dağınık, olasılıklı bir zamansal değerler aralığında gerçekleşir. Ekibin deneylerinin gösterdiği gibi, bu değerler tek bir fotonun geçiş süresinin anlık olduğu durumları kapsayabilir - veya tuhaf bir şekilde, atomik uyarım sona ermeden önce sona erdiği durumları, bu da negatif bir değer verir.
Sinclair, grup gecikmesi ile iletilen fotonların atomik uyarımlar olarak geçirdiği zaman arasındaki eşleşmeye atıfta bulunarak, "Bu tahminin bizi tamamen şaşırttığını söyleyebilirim," diyor. "Ve hata yapmadığımızdan emin olduğumuz anda, Steinberg ve ekibin geri kalanı - bu noktada [Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde] doktora sonrası çalışmaya geçmiştim - negatif bekleme süresine ilişkin bu çılgın tahmini test etmek ve teorinin geçerli olup olmadığını görmek için bir takip deneyi yapmayı planlamaya başladılar."
Steinberg'in X üzerinde övdüğü Angulo liderliğindeki bu takip deneyi, bir fotonun iletilebileceği iki yolu göz önünde bulundurarak anlaşılabilir. Birinde, foton bir tür göz bağı takar ve atomu tamamen görmezden gelerek başını sallamadan gider. Diğerinde, yeniden yayılmadan önce atomla etkileşime girerek onu daha yüksek bir enerji seviyesine çıkarır.
Steinberg, "İletilen bir fotonu gördüğünüzde, bunlardan hangisinin meydana geldiğini bilemezsiniz," diyor ve fotonların kuantum aleminde kuantum parçacıkları olması nedeniyle, iki sonucun üst üste gelebileceğini, her ikisinin de aynı anda gerçekleşebileceğini ekliyor. "Ölçüm cihazı sıfırı ölçme ve küçük bir pozitif değeri ölçme üst üste gelmesiyle sonuçlanıyor." Ancak Steinberg, buna karşılık, bunun bazen "ölçüm cihazının 'sıfır' artı 'pozitif bir şey' gibi değil, 'sıfır' eksi 'pozitif bir şey' gibi görünen bir durumda sonuçlanması anlamına geldiğini ve bunun da bu uyarılma süresi için yanlış işaret, negatif bir değer gibi görünen bir sonuçla sonuçlandığını" belirtiyor.
Angulo ve meslektaşlarının deneyindeki ölçüm sonuçları, fotonların atomları uyardıklarında atomların temel hallerinde kaldıkları zamandan daha hızlı ortamda hareket ettiğini göstermektedir. (Fotonlar herhangi bir bilgi iletmemektedir, bu nedenle sonuç, Einstein'ın özel görelilik kuramı tarafından belirlenen "hiçbir şey ışıktan daha hızlı hareket edemez" hız sınırıyla çelişmemektedir.)
"Negatif bir zaman gecikmesi paradoksal görünebilir, ancak bunun anlamı, atomların uyarılmış durumda ne kadar zaman harcadığını ölçmek için bir 'kuantum' saati inşa ederseniz, saat kolunun belirli koşullar altında ileriye değil geriye doğru hareket edeceğidir," diyor Sinclair. Başka bir deyişle, fotonların atomlar tarafından emildiği zaman negatiftir.
Bu fenomen şaşırtıcı olsa da, zaman anlayışımız üzerinde hiçbir etkisi yok; ancak kuantum dünyasının hâlâ sürprizlerle dolu olduğunu bir kez daha gösteriyor.
"[Angulo] ve ekibin geri kalanı gerçekten etkileyici bir şey başardı ve güzel bir ölçüm seti üretti. Sonuçları, emici ortamlarda seyahat eden fotonların geçmişi hakkında ilginç sorular ortaya çıkarıyor ve optikteki grup gecikmesinin fiziksel anlamının yeniden yorumlanmasını gerektiriyor," diyor Sinclair.