العثور على دليل على وجود "زمن سلبي" في تجربة فيزياء الكم

إن علماء الفيزياء الكمومية على دراية بالظواهر الغريبة التي تبدو غير منطقية: فالذرات والجزيئات تعمل أحيانًا كجسيمات، وأحيانًا كموجات؛ ويمكن أن ترتبط الجسيمات بعضها بالبعض الآخر من خلال "فعل مخيف عن بعد"، حتى على مسافات كبيرة؛ ويمكن للأجسام الكمومية أن تنفصل عن خصائصها مثل القط شيشاير من مغامرات أليس في بلاد العجائب الذي ينفصل عن ابتسامته. والآن كشف باحثون بقيادة دانييلا أنجولو من جامعة تورنتو الكندية عن نتيجة كمومية غريبة أخرى: يمكن للفوتونات، وهي جسيمات موجية من الضوء، أن تقضي وقتًا سلبيًا في المرور عبر سحابة من الذرات المبردة. بعبارة أخرى، يمكن أن تبدو الفوتونات وكأنها تخرج من مادة قبل دخولها. "لقد استغرق الأمر وقتًا موجبًا، لكن تجربتنا التي لاحظت أن الفوتونات يمكن أن تجعل الذرات تبدو وكأنها تقضي وقتًا سالبًا في الحالة المثارة أصبحت جاهزة.

وقت سلبي للفوتونات

النتيجة الأساسية للتجربة هي أن الفوتونات قد تبدو وكأنها تغادر الوسط قبل أن تنتهي الذرات من استجابتها المثارة.

فكرة العمل:

بدأ المشروع بسؤال أساسي حول ما إذا كان تأخير عبور الضوء عبر الوسط يعتمد على مصير الفوتون نفسه، ثم تحول هذا السؤال إلى تجربة مخبرية معقدة على ذرات الروبيديوم فائقة البرودة.

المسار الزمني لتطور التجربة

2017: ولادة الفكرة

اهتم الباحثون بظاهرة الإثارة الذرية وبسؤال ما إذا كان تأخير الضوء يتغير بحسب ما إذا كان الفوتون قد امتص داخل السحابة الذرية أم مر دون تفاعل.

ثلاث سنوات من التخطيط

طوّر الفريق جهازًا لاختبار السؤال عمليًا بعد أن اكتشف أن الحدس النظري بين الخبراء لم يكن موحدًا حول الإجابة.

التجربة والنتائج الأولى

أُطلقت الفوتونات عبر سحابة من ذرات الروبيديوم، وظهرت مفاجأتان: بقاء إثارة ذرية حتى عندما تمر بعض الفوتونات دون امتصاص واضح، وإعادة إطلاق تبدو شبه فورية عند الامتصاص.

تعاون بين عدة فرق بحثية:

بعد ذلك تعاون الفريق مع عالم الفيزياء النظرية هوارد إم. وايزمان من جامعة غريفيث في أستراليا، لوضع تفسير لهذه الظاهرة. وأظهر التفسير النظري أن الوقت الذي قضته هذه الفوتونات المنقولة كإثارة ذرية يتطابق تماماً مع التأخير الجماعي المتوقع الذي اكتسبه الضوء، حتى في الحالات التي بدا فيها وكأن الفوتونات أعيد إطلاقها قبل أن تهدأ الإثارة الذرية.

🔬

عناصر التفسير النظري للاكتشاف

يوضح التفسير أن غرابة النتيجة لا تعني انهيار الفيزياء، بل تكشف كيف تتوزع الأزمنة المحتملة داخل الظواهر الكمومية.

التأخير الجماعي

الضوء يكتسب تأخيرًا مرصودًا أثناء عبوره الوسط، وهذا التأخير يظل متسقًا مع الحسابات النظرية.

نطاق زمني احتمالي

امتصاص الفوتون وإعادة إصداره لا يحدثان ضمن لحظة ثابتة واحدة، بل ضمن توزيع احتمالي مشوه للقيم الزمنية.

الزمن السلبي الظاهري

بعض النتائج تقع ضمن حالات يبدو فيها العبور لحظيًا أو منتهيًا قبل انطفاء الإثارة الذرية، فتظهر قيمة زمنية سالبة.

لكي نفهم هذا الاكتشاف غير المنطقي، يمكننا أن نفكر في الفوتونات باعتبارها أجساماً كمومية غامضة، حيث لا يُضمن حدوث امتصاص وإعادة إطلاق أي فوتون معين من خلال إثارة ذرية على مدى فترة زمنية ثابتة معينة؛ بل يحدث ذلك عبر نطاق احتمالي مشوه من القيم الزمنية. وكما أثبتت تجارب الفريق، يمكن أن تشمل هذه القيم حالات يكون فيها وقت عبور الفوتون الفردي لحظياً، أو ينتهي قبل توقف الإثارة الذرية، وهو ما يعطي قيمة سلبية للزمن. هذه النتيجة المفاجئة حفزت الفريق على التخطيط لإجراء تجربة متابعة لاختبار هذا التنبؤ المجنون بوقت البقاء السلبي ومعرفة ما إذا كانت النظرية ستصمد.

تفسير النتائج:

يمكن فهم التجربة التالية، التي قادتها أنجولو، من خلال النظر في الطريقتين اللتين يمكن أن ينتقل بهما الفوتون. في الأولى، يرتدي الفوتون درعًا ما ويتجاهل الذرة تمامًا، ويغادر دون حتى إيماءة. وفي الثانية، يتفاعل مع الذرة، ويرفعها إلى مستوى طاقة أعلى، قبل أن يعاد إصداره. المشكلة هي أنه عندما نرصد فوتونًا منقولًا، لا يمكننا معرفة أي من هذين الأمرين حدث، وذلك لأن الفوتونات هي جسيمات كمومية، أي إن النتيجتين يمكن أن تكونا في حالة تراكب، وينتهي الأمر بجهاز القياس إلى عدم قياس أي شيء، أو قياس بعض القيمة الإيجابية الصغيرة. ولكن في المقابل، هذا يعني أيضًا أنه في بعض الأحيان "ينتهي جهاز القياس إلى حالة لا تبدو مثل "صفر" زائد "شيء إيجابي" بل مثل "صفر" ناقص "شيء إيجابي"، ما يؤدي إلى ما يبدو وكأنه علامة خاطئة، قيمة سلبية، لوقت الإثارة هذا. تشير نتائج القياس في تجربة أنجولو وزملائها إلى أن الفوتونات تحركت عبر الوسط بشكل أسرع عندما أثارت الذرات مقارنة بوقت بقاء الذرات في حالتها الأساسية.

الخاتمة:

رغم أن هذه الظاهرة مذهلة، إلا أنها لا تؤثر على فهمنا للزمن نفسه، ولكنها توضح مرة أخرى أن العالم الكمومي لا يزال يحمل في جعبته مفاجآت. لقد أنجز الفريق شيئاً مثيراً للإعجاب حقاً وأنتج مجموعة جميلة من القياسات. وتثير نتائجهم أسئلة مثيرة للاهتمام حول تاريخ انتقال الفوتونات عبر الوسائط الماصة وتتطلب إعادة تفسير المعنى الفيزيائي للتأخير الجماعي في البصريات.