كشف علماء الفيزياء الكمومية عن ظاهرة غير مألوفة، إذ يبدو أن الفوتونات تسجل “زمنًا سلبيًا” أثناء تفاعلها مع الذرات قبل خروجها من سحابة من المادة.

ما الزمن السلبي؟

كما يروي لنا هوميروس، قام أوديسيوس برحلة ملحمية، رغم كل الصعاب، من طروادة إلى موطنه في إيثاكا. زار العديد من الأراضي لكنه أقام في الغالب مع الحورية كاليبسو على جزيرتها.

يمكننا أن نتخيل أن زوجته بينيلوبي سألته عن تلك الفترة تحديدًا. ربما أجاب أوديسيوس: لم يكن شيئًا يُذكر. في الواقع، كان أقل من لا شيء. عشتُ خمس سنوات تحت الصفر مع كاليبسو. كيف لي أن أعود إلى الوطن بعد عشر سنوات فقط؟ إن لم تصدقوني، فاسألوها.”

اتضح أن الجسيمات الكمومية ماكرة تمامًا كأوديسيوس، كما كشفت تجربة نشرت في مجلة Physical Review Letters .

حيث لا يقتصر الأمر على أن وقت وصولها يُشير إلى أنها قضت وقتًا سلبيًا مع جسيمات أخرى، بل إن تلك الجسيمات الأخرى، إذا سئلت، تؤكد هذه الرواية.

استخدمت التجربة الفوتونات – جسيمات الضوء الكمومية – والرحلة الصعبة التي يجب أن تخوضها لتمر مباشرة عبر سحابة من ذرات الروبيديوم.

فيما تتفاعل هذه الذرات مع الفوتونات في حالة “رنين”، ما يعني إمكانية نقل طاقة الفوتون مؤقتًا إلى الذرات على شكل إثارة ذرية. وهذا يسمح للفوتون بالبقاء في السحابة الذرية لفترة من الزمن قبل أن ينطلق.

مبدأ هايزنبرح

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

لكن، وفقًا لصيغة من مبدأ هايزنبرج الشهير للشك، إذا كانت طاقة الفوتون محددة بدقة، فلا بد أن يكون توقيته غير مؤكد.

في الوقت نفسه يجب أن تكون مدة نبضة الضوء التي يشغلها الفوتون طويلة. هذا يعني أننا لا نستطيع معرفة متى يدخل الفوتون السحابة بدقة ، ولكن يمكننا معرفة متوسط ​​وقت دخوله.

إذا انطلق فوتون كهذا نحو السحابة، فإن النتيجة الأرجح هي أن طاقته تنتقل إلى الذرات ثم تعاد إشعاعها كفوتون يسير في اتجاه عشوائي.  في مثل هذه الحالات، يتشتت الفوتون ولا يصل إلى إيثاكا.

لكن إذا تمكن الفوتون من اختراق السحابة مباشرة، يحدث أمر غريب. بناءً على متوسط ​​الوقت الذي يدخل فيه الفوتون السحابة.

علاوة على أنه يمكن حساب متوسط ​​الوقت المتوقع لوصوله إلى الجانب الآخر من السحابة، بافتراض أنه يتحرك بسرعة الضوء “كما هو الحال عادةً مع الفوتونات”.

فما نلاحظه هو أن الفوتون يصل في الواقع قبل ذلك بكثير. في الحقيقة، يصل مبكرًا جدًا لدرجة أنه يبدو وكأنه قضى وقتًا سلبياً داخل السحابة – ليخرج، في المتوسط، قبل أن يدخلها.

آلة الزمن

هذا التأثير معروف منذ عقود، وقد لوحظ في تجربة أجريت عام 1993. لكن معظم الفيزيائيين قرروا عدم أخذ هذا الوقت السلبي على محمل الجد.

المثير للدهشة أن نتيجة هذا القياس الضعيف لزمن بقاء الفوتون، عندما يمر مباشرة عبر السحابة، تساوي تمامًا الزمن السالب الذي يشير إليه متوسط ​​زمن وصول الفوتونات. قبل بحثنا، لم يكن أحد يتوقع أن يتساوى هذان الزمنان، اللذان تم قياسهما بطريقتين مختلفتين تمامًا.

تشير دراسة إلى أن الزمن السلبي هو تأثير كمي حقيقي

والأهم من ذلك، لا يمكن تفسير القيمة السالبة لوقت الإقامة المقاس بشكل ضعيف من خلال تخيل أن مقدمة نبضة الفوتون فقط هي التي تمر، على عكس الوقت المستنتج من وقت الوصول.

إذن، ما معنى كل هذا؟ هل آلة الزمن باتت قريبة؟

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

أخيرًا، هذا يظهر أن زمن التوقف السلبي ليس مجرد ظاهرة عابرة. فرغم ما قد يبدو عليه من تناقض.  إلا أنه يؤثر بشكل مباشر وقابل للقياس على السحابة الذرية التي يعبرها الفوتون. ويذكرنا هذا بأن هناك آفاقًا جديدة لاكتشافها في رحلة البحث الكمومي.

المصدر: scitechdaily.