Werner Kar. Heisenberg (1933) (af: WikiMedia Commons)

Fotonen die door een wolk van atomen reizen, kunnen er zo vroeg uitkomen dat het lijkt alsof ze daar een negatieve tijd hebben doorgebracht. Onderzoeksters keken of dit slechts een misleidend kenmerk van de lichtpuls was door extreem zwakke metingen aan de atomen te verrichten. Verrassend genoeg bevestigden de atomen dezelfde negatieve verblijftijd. De bevinding haalt de standaard-natuurkunde niet onderuit, maar toont wel dat een van de vreemdste effecten van de kwantummechanica fysiek meetbaar is, maar zulke malligheden kun je in de kwantumwereld tegenkomen, kennelijk.
De kwantumwereld is een voor ons mensen idiote wereld die niet aansluit bij wat we gewend zijn in de macrowereld. Kwantumdeeltjes kunnen zich bewegen in een negatieve tijd. Niet alleen kan hun aankomsttijd suggereren dat ze een negatieve tijdsduur bij andere deeltjes hebben doorgebracht, maar als je die andere deeltjes ernaar vraagt, zullen die het verhaal bevestigen.
De onderzoekers rond Aephraim Steinberg maakten gebruik van fotonen – lichtdeeltjes – en de onwaarschijnlijke reis die ze aflegden om dwars door een wolk van rubidiumatomen. Deze atomen vertonen een wisselwerking met de fotonen, wat betekent dat de energie van het foton tijdelijk kan worden overgedragen aan de atomen waardoor die in een hogere energietoestand terechtkomen. Hierdoor kan het foton enige tijd in de atoomwolk verblijven voordat het weer wordt vrijgelaten.
Om deze resonantie effectief te laten zijn, moet het foton een goed gedefinieerde energie hebben, overeenkomend met de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​rubidiumatoom in een aangeslagen toestand te brengen.

Volgens de onzekerheidsrelatie van Heisenberg beroemde onzekerheidsprincipe, moet de precieze plaats van het foton op een bepaald tijdstip onzeker zijn als de energie ervan nauwkeurig vastgesteld is. Dit betekent dat we niet precies kunnen weten wanneer het foton de wolk binnenkomt, maar we kunnen wel gemiddeld weten wanneer het binnenkomt.
Als een dergelijk foton in de wolk wordt geschoten, is de waarschijnlijkste uitkomst dat de energie ervan wordt overgedragen aan de atomen en vervolgens opnieuw wordt uitgezonden als een foton verder reist en wordt verstrooid.
Als het foton wel rechtstreeks door de atoomwolk heen gaat, gebeurt er iets vreemds. Op basis van de gemiddelde tijd waarop het foton de wolk binnenkomt, kan men de verwachte gemiddelde aankomsttijd aan de andere kant van de wolk berekenen, ervan uitgaande dat het met de lichtsnelheid reist (zoals fotonen gewoonlijk doen).

Bekend

Het gekke is dat dat foton in werkelijkheid veel eerder aankomt. Sterker nog, het komt zo vroeg aan dat het lijkt alsof het een negatieve tijd in de wolk heeft doorgebracht. Dit effect is al tientallen jaren bekend en werd waargenomen in een experiment uit 1993, maar natuurkundigen hadden deze negatieve tijd over het algemeen niet serieus genomen.
Dat komt doordat dit verschijnsel verklaard kan worden door te stellen dat alleen het uiterste voorste deel van de langdurige puls rechtstreeks door de atoomwolk gaat, terwijl de rest wordt verstrooid. Dit leidt ertoe dat een succesvol (niet-verstrooid) foton eerder aankomt dan je zou verwachten.

Aephraim Steinberg, een van de auteurs van dat artikel uit 1993, was echter niet bereid om de negatieve tijd als flauwekul af te wijzen. In zijn laboratorium aan de universiteit van Toronto wilde hij onderzoeken wat er gebeurde als je de rubidiumatomen in de wolk zou ‘ondervragen’ om te achterhalen hoe lang het foton zich als aanslagbron in de wolk had bevonden.
Na een eerste experiment met onduidelijke resultaten vroeg hij Howard Wiseman van de Griffith-universiteit als kwantumtheoreticus om hulp bij het bepalen van de verwachte resultaten.
Metingen verstoren een systeem en dat is in de kwantumwereld dodelijk. Als je op elk moment nauwkeurig zouden meten of het foton zich in de wolk bevindt, zou je voorkomen dat de atomen met het foton wisselwerken. Dit is het zogeheten kwantum-Zeno-effect, dat juist het fenomeen dat de onderzoekers wilden bestuderen zou vernietigen.

De oplossing is om in plaats daarvan een zeer onnauwkeurige (maar nog steeds zeer nauwkeurig geijkte) meting te doen. Dat is de prijs die de onderzoeker moet betalen om de verstoring verwaarloosbaar te houden.
In de praktijk hebben de onderzoekers een zwakke laserstraal – die niets te maken heeft met dat ene fotonpulsje – door de atoomwolk gestuurd en kleine veranderingen in de fase van het licht van de straal gemeten om te onderzoeken of de atomen aangeslagen waren.
Elke afzonderlijke meting van het experiment geeft slechts een zeer ruwe indicatie of het foton in de atomen verbleef, maar door miljoenen metingen te middelen, kregen de onderzoekers een vrij nauwkeurige verblijftijd.

Gelijk

Verbazingwekkend genoeg is het resultaat van deze zwakke meting van de verblijftijd, wanneer het foton recht door de wolk gaat, exact gelijk aan de negatieve tijd die wordt gesuggereerd door de gemiddelde aankomsttijd van de fotonen. Vooraf vermoedde geen van de onderzoekers dat deze twee tijden, gemeten op volledig verschillende manieren, gelijk zouden zijn.
Cruciaal is dat de negatieve waarde van de zwak gemeten verblijftijd niet verklaard kan worden door aan te nemen dat alleen de voorkant van de fotonpuls erdoorheen komt, in tegenstelling tot de tijd die wordt afgeleid uit de aankomsttijd.
Alle speculatie over tijdmachines verwijzen Steinberg c.s. meteen naar de prullenbak. Het experiment zou volledig te verklaren zijn door de standaardnatuurkunde. Het laat wel zien dat een negatieve verblijftijd geen onzin is. Hoe paradoxaal het ook mag lijken, het heeft een direct meetbaar effect op de atoomwolk die het foton doorkruist.

Bron: Daily Science