Částice může vyletět z rubidia dřív, než vletí dovnitř. Kvantový pokus fyziky překvapil

V kvantové fyzice prakticky nic nedává smysl. Věci, které se tam dějí, se nedají srovnat s tím, co se děje v tom světě, který dobře známe kolem nás. Pokud bychom považovali elektron za vrabce, pak by tento vrabec v kvantovém světě mohl být současně i opékačem topinek a mohl by do domu vletět současně oknem i dveřmi. A podle nového pokusu fyziků z Torontské univerzity by takový vrabčák mohl dokonce vyletět z tohoto domu dříve, než do něj vletí.

Že kvantový svět nedává úplně smysl, je zjevné – ale současně se tam tyto zdánlivě nemožné události prokazatelně odehrávají; prokazují to stovky mnohokrát opakovaných pokusů, z nichž řada má i praktické využití a jejich důsledky lidstvo intenzivně používá.

Jeden pokus teď provedli fyzici pod vedením Daniely Angulové z Torontské univerzity. Zatím sice jejich práce neprošla recenzním řízením, ale podle komentářů na serveru arXiv, kam se takové studie nahrávají, zatím nemá nikdo z jiných vědců zásadní výhrady – a to už je tam práce déle než měsíc. „Trvalo to dlouho, ale náš experiment, při kterém jsme pozorovali, že fotony mohou způsobit, že atomy zdánlivě stráví záporné množství času v excitovaném stavu, je na světě,“ napsal spoluautor studie Aephraim Steinberg na síti X.

Právě Steinberg je podle webu Spektrum der Wissenschaft autorem myšlenky na tento zajímavý experiment – původně ho měl napadnout už před sedmi roky.

Něco málo fyziky

Není nutné zabíhat do detailů, ale několik základních myšlenek kvantové fyziky je pro pochopení nutné znát. Celý výzkum se týkal takzvaných excitovaných atomů. Když fotony procházejí nějakým prostředím a jsou tam absorbovány, elektrony vířící kolem atomů v tomto prostředí přeskočí na vyšší energetické hladiny. Když se tyto excitované elektrony vrátí do svého původního stavu, uvolní absorbovanou energii v podobě opětovně vyzářených fotonů, což způsobí časové zpoždění v pozorované době průchodu světla prostředím.

Zpět k metafoře s vrabčákem: v kvantovém světě se snažili vědci měřit, jak ovlivní průlet vrabce dům, jímž proletí. Přitom někdy se vrabec změní na holuba, někde splyne s hodinami kukačkami na zdi, někdy z něj upadne pár peříček, která zvíří prach, a jindy jen tak profrčí, aniž by to zanechalo jedinou stopu.

Torontští vědci tedy chtěli změřit zmíněné zpoždění. Zajímalo je hlavně, jaká je jeho souvislost s tím, co se děje fotonu: jestli byl rozptýlený, pohlcený, nebo se s ním nestalo nic. Přestože by mělo jít o dost základní otázku a vědci předpokládali, že nebude těžké na ni odpovědět, dospěli k pravém opaku. Neexistoval žádný kvalitní výzkum, kterého by se mohli chytit, a experti v oboru na to měli velmi různorodé názory – až po takové, že ani nedává smysl se tím zabývat.

A tak jim nezbývalo než provést vlastní základní výzkum. Museli pro to vytvořit celý nový přístroj, proto se celý pokus protáhl na sedm let. Stříleli v něm fotony do mraku ultrachladných atomů rubidia a měřili výsledný stupeň atomové excitace, popisuje pokus web Scientific American.

Experiment podle něj přinesl dvě překvapení: Někdy fotony prošly bez úhony, ale atomy rubidia byly stále excitované – a to stejně dlouho, jako kdyby tyto fotony absorbovaly. Ještě podivnější ale bylo, že když byly fotony pohlceny, zdálo se, že jsou znovu vyzářeny téměř okamžitě. Ve skutečnosti dokonce mnohem dříve, než se atomy rubidia vrátily do základního stavu – jako by fotony v průměru opouštěly atomy rychleji, než se dostaly dovnitř.

Smysl jim to příliš nedávalo ani v nepochopitelném kvantovém světě.

Proto hledali možná vysvětlení ve spolupráci s dalšími teoretickými fyziky, kteří se popisu kvantových procesů dlouhodobě věnují. Podle Howarda Wisemana z Griffithovy univerzity opravdu vše probíhá tak, jak to vypadá.

Na kvantové úrovni totiž děje neprobíhají, jak je známe. Jsou „rozmazané“, probíhají vždy s nějakou pravděpodobností, v nějakém rozsahu pravděpodobnosti. A to se týká i času: existují tedy pravděpodobnosti, kdy je doba průchodu jednotlivého fotonu okamžitá – anebo dokonce kdy dává zápornou hodnotu.

Paradox

„Tato předpověď nás naprosto překvapila,“ uvedl Steinbergův spoludoktorand Josiah Sinclair pro Spektrum der Wissenschaft. Jemu i zbytku jeho týmu připadaly tyto výsledky natolik šílené, že se je rozhodl ještě jednou ověřit. A opět to vyšlo. Tyto výsledky navíc podle Wisemana ani nenarušují teorii relativity: fotony totiž během tohoto pohybu nepředávaly svému okolí žádné informace, proto to není v rozporu s Einsteinovým „nic nemůže cestovat rychleji než světlo“.

„Záporné časové zpoždění se může zdát paradoxní, ale znamená to, že kdybyste sestrojili ‚kvantové‘ hodiny, které by měřily, kolik času stráví atomy v excitovaném stavu, hodinová ručička by se za určitých okolností pohybovala spíše dozadu než dopředu,“ dodává Sinclair. Jinými slovy, čas, za který byly fotony atomy pohlceny, je záporný.

Přestože je tento jev překvapivý, nemá žádný vliv na naše chápání času jako takového, ale opět ilustruje, že kvantový svět má stále v zásobě překvapení, uzavírá Scientific American.