أظهر الفيزيائيون أن الفوتونات يمكن أن تبدو وكأنها تخرج من مادة قبل دخولها، مما يكشف عن دليل رصدي على الزمن السلبي.
يعرف فيزيائيو الكم الظواهر الغريبة التي تبدو غير منطقية: حيث تعمل الذرات والجزيئات أحيانًا كجسيمات وأحيانًا كموجات؛ يمكن للجسيمات أن تكون مترابطة مع بعضها البعض من خلال “تأثير شبحي عن بعد” حتى على مسافات كبيرة؛ ويمكن للأجسام الكمومية أن تنفصل عن خصائصها مثلما انفصل القط تشيشر في رواية مغامرات أليس في بلاد العجائب عن ابتسامته. الآن، كشف باحثون بقيادة دانييلا أنجولو من جامعة تورنتو عن نتيجة كمومية غريبة أخرى: الفوتونات، الجسيمات الموجية للضوء، يمكن أن تقضي كمية سلبية من الوقت وهي تمر عبر سحابة من الذرات المبردة. بعبارة أخرى، يمكن للفوتونات أن تبدو وكأنها تخرج من مادة قبل دخولها.
كتب أفرام شتاينبرج، فيزيائي في جامعة تورنتو، في منشور على منصة X (المعروفة سابقًا باسم تويتر) عن الدراسة الجديدة التي تم تحميلها على خادم ما قبل النشر arXiv.org في 5 سبتمبر ولم تخضع لمراجعة الأقران بعد: “لقد استغرق الأمر كمية موجبة من الوقت، لكن تجربتنا التي لاحظنا فيها أن الفوتونات يمكن أن تجعل الذرات تبدو وكأنها تقضي وقتًا سلبيًا في الحالة المثارة قد انتهت!”.
ظهرت فكرة هذا العمل في عام 2017. في ذلك الوقت، كان شتاينبرج وزميله في المختبر، طالب الدكتوراه آنذاك، جوشيا سينكلير، مهتمين بتفاعل الضوء والمادة، خاصةً ظاهرة تسمى الإثارة الذرية: عندما تمر الفوتونات عبر وسط ويتم امتصاصها، تقفز الإلكترونات التي تدور حول الذرات في ذلك الوسط إلى مستويات طاقة أعلى. عندما تعود هذه الإلكترونات المثارة إلى حالتها الأصلية، تطلق الطاقة الممتصة على شكل فوتونات معادة الانبعاث، مما يُدخل تأخيرًا زمنيًا في وقت عبور الضوء عبر الوسط.
أراد فريق سينكلير قياس ذلك التأخير الزمني (الذي يسمى تقنيًا أحيانًا “تأخير المجموعة”) ومعرفة ما إذا كان يعتمد على مصير الفوتون: هل تم تشتته وامتصاصه داخل السحابة الذرية، أم تم نقله دون أي تفاعل؟ يقول سينكلير: “في ذلك الوقت، لم نكن متأكدين من الإجابة، وكنا نشعر أن مثل هذا السؤال الأساسي حول شيء أساسي يجب أن يكون من السهل الإجابة عليه”. لكن كلما تحدثنا إلى مزيد من الأشخاص، أدركنا أنه على الرغم من أن الجميع لديهم حدسهم أو تخمينهم الخاص، لم يكن هناك توافق خبير حول ما ستكون الإجابة الصحيحة”. بسبب الطبيعة الغريبة وغير البديهية لهذه التأخيرات، كتب بعض الباحثين أن هذه الظاهرة غير ذات معنى في وصف أي خاصية مادية مرتبطة بالضوء.
بعد ثلاث سنوات من التخطيط، طور فريقه جهازًا لاختبار هذا السؤال في المختبر. تضمنت تجاربهم إطلاق الفوتونات عبر سحابة من ذرات الروبيديوم فائقة البرودة وقياس درجة الإثارة الذرية الناتجة. ظهر مفاجأتان من التجربة: أحيانًا تمر الفوتونات دون أن تصاب بأذى، ومع ذلك تصبح ذرات الروبيديوم مثارة – وللفترة نفسها كما لو كانت قد امتصت تلك الفوتونات. والأغرب من ذلك، عندما تم امتصاص الفوتونات، بدت وكأنها معاد إصدارها فورًا، قبل أن تعود ذرات الروبيديوم إلى حالتها الأساسية – كما لو أن الفوتونات، في المتوسط، كانت تخرج من الذرات أسرع مما كان متوقعًا.
ثم تعاون الفريق مع هوارد وايزمان، فيزيائي نظري ومتخصص في الكم من جامعة غريفيث في أستراليا، لتطوير تفسير. أظهر الإطار النظري الذي نشأ أن الوقت الذي قضته هذه الفوتونات المنقولة كإثارة ذرية كان مطابقًا تمامًا لتأخير المجموعة المتوقع المكتسب بواسطة الضوء – حتى في الحالات التي بدت فيها الفوتونات كأنها تمت إعادة إصدارها قبل أن تنتهي الإثارة الذرية.
لفهم هذه النتيجة غير المنطقية، يمكنك التفكير في الفوتونات كأجسام كمومية ضبابية، حيث لا يُضمن حدوث امتصاص الفوتون وإعادة إصداره عبر الإثارة الذرية خلال فترة زمنية محددة؛ بل يحدث ذلك عبر نطاق زمني احتمالي. كما أظهرت تجارب الفريق، يمكن أن تشمل هذه القيم حالات يكون فيها وقت عبور الفوتون لحظيًا – أو، بشكل غريب، عندما ينتهي قبل أن تتوقف الإثارة الذرية، مما يعطي قيمة سلبية.
يقول سينكلير: “أعدك بأننا فوجئنا تمامًا بهذا التوقع”، في إشارة إلى التطابق بين تأخير المجموعة والوقت الذي قضته الفوتونات المنقولة كإثارة ذرية. “وبمجرد أن تأكدنا من أننا لم نرتكب خطأً، بدأ شتاينبرج وبقية الفريق – كنت قد انتقلت لإجراء أبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تلك المرحلة – في التخطيط لإجراء تجربة متابعة لاختبار هذا التوقع الغريب للزمن السلبي ورؤية ما إذا كانت النظرية ستثبت صحتها”.
يمكن فهم تجربة المتابعة التي قادتها أنجولو والتي أشاد بها شتاينبرج على منصة X، بالنظر إلى الطريقتين اللتين يمكن أن ينتقل بهما الفوتون. في واحدة، يتجاهل الفوتون الذرة تمامًا ويخرج دون أي تفاعل. في الأخرى، يتفاعل مع الذرة، مما يؤدي إلى رفعها إلى مستوى طاقة أعلى قبل أن يتم إعادة إصداره.
يقول شتاينبرج: “عندما ترى فوتونًا منقولًا، لا يمكنك أن تعرف أي من هذين الأمرين حدث”. مضيفًا أنه لأن الفوتونات هي جسيمات كمومية في عالم الكم، يمكن أن يكون الحدثان في حالة تراكب – كلاهما يمكن أن يحدث في نفس الوقت. “ينتهي الأمر بجهاز القياس في حالة تراكب بين قياس الصفر وقياس قيمة صغيرة موجبة”. ولكن بالمقابل، يلاحظ شتاينبرج، أن ذلك يعني أيضًا أن أحيانًا “ينتهي الأمر بجهاز القياس في حالة لا تشبه ‘الصفر’ بالإضافة إلى ‘شيء موجب’ ولكن ‘الصفر’ ناقص ‘شيء موجب’، مما ينتج قيمة سلبية لما يبدو أنه وقت الإثارة”.
تشير نتائج القياس في تجربة أنجولو وزملائها إلى أن الفوتونات تحركت عبر الوسط أسرع عندما أثارت الذرات مقارنة عندما بقيت الذرات في حالتها الأرضية. (لا تقوم الفوتونات بإرسال أي معلومات، لذا فإن النتيجة لا تتعارض مع حد السرعة الذي وضعه أينشتاين في النظرية الخاصة بالنسبية).
يقول سينكلير: “قد يبدو التأخير الزمني السلبي متناقضًا، لكن ما يعنيه هو أنه إذا قمت ببناء ساعة ‘كمومية’ لقياس مقدار الوقت الذي تقضيه الذرات في الحالة المثارة، فإن عقرب الساعة سيتحرك، في ظل ظروف معينة، للخلف بدلاً من الأمام”. بعبارة أخرى، الزمن الذي يتم فيه امتصاص الفوتونات بواسطة الذرات يكون سلبيًا.
على الرغم من أن هذه الظاهرة مذهلة، إلا أنها لا تؤثر على فهمنا للزمن ذاته – لكنها توضح مرة أخرى أن العالم الكمومي لا يزال يحتوي على مفاجآت في جعبته.
يقول سينكلير: “[أنجولو] وبقية الفريق حققوا شيئًا مثيرًا للإعجاب وأنتجوا مجموعة رائعة من القياسات. نتائجهم تطرح أسئلة مثيرة للاهتمام حول تاريخ الفوتونات أثناء مرورها عبر الوسائط الامتصاصية وتتطلب إعادة تفسير للمعنى الفيزيائي لتأخير المجموعة في البصريات”.
المصدر: Scientific American
