Come ci racconta Omero, Ulisse compì un viaggio epico, contro ogni previsione, da Troia alla sua patria, Itaca. Visitò molte terre, ma visse soprattutto con la ninfa Calipso sulla sua isola.
Possiamo immaginare che sua moglie, Penelope, gli avrebbe chiesto di quel periodo. Ulisse avrebbe potuto rispondere: “Non è stato niente. Anzi, meno di niente. Ho vissuto con Calipso per meno cinque anni. Altrimenti, come avrei potuto tornare a casa dopo soli dieci anni? Se non mi credete, chiedetelo a lei.”
A quanto pare, le particelle quantistiche sono astute quanto Ulisse, come abbiamo dimostrato in un esperimento pubblicato su Physical Review Letters . Non solo il loro tempo di arrivo può suggerire che abbiano convissuto con altre particelle per un periodo di tempo negativo, ma se si chiede a queste altre particelle, esse confermeranno la storia.
Fotoni che dimorano con gli atomi
Il nostro esperimento ha utilizzato i fotoni – particelle quantistiche di luce – e il percorso contro ogni probabilità che devono compiere per attraversare in linea retta una nuvola di atomi di rubidio.
Questi atomi presentano una “risonanza” con i fotoni, il che significa che l’energia del fotone può essere temporaneamente trasferita agli atomi sotto forma di eccitazione atomica. Questo permette al fotone di “rimanere” nella nube atomica per un certo periodo di tempo prima di essere rilasciato.
Affinché questa risonanza sia efficace, il fotone deve possedere un’energia ben definita, corrispondente alla quantità di energia necessaria per portare un atomo di rubidio in uno stato eccitato.
Ma, in base a una variante del famoso principio di indeterminazione di Heisenberg , se l’energia del fotone è ben definita, allora il suo tempo deve essere incerto: l’impulso di luce occupato dal fotone deve avere una lunga durata. Ciò significa che non possiamo sapere con esattezza quando il fotone entra nella nube, ma possiamo sapere in media quando vi entra.
Se un fotone di questo tipo viene sparato contro la nuvola, l’esito più probabile è che la sua energia venga trasferita agli atomi e poi riemessa come un fotone che viaggia in una direzione casuale. In questi casi, il fotone viene diffuso e non riesce ad arrivare a destinazione.
Tempi di arrivo dei fotoni
Ma se il fotone riesce ad attraversare la nube senza subire danni, accade qualcosa di strano. Basandosi sul tempo medio impiegato dal fotone per entrare nella nube, è possibile calcolare il tempo medio previsto per il suo arrivo all’estremità opposta della nube, supponendo che viaggi alla velocità della luce (come di solito fanno i fotoni).
Si scopre che il fotone in realtà arriva molto prima. Anzi, arriva così presto che sembra aver trascorso un tempo negativo all’interno della nube: in media, esce prima di entrarvi.
Questo effetto è noto da decenni ed è stato osservato in un esperimento del 1993. Tuttavia, i fisici avevano per lo più deciso di non prendere sul serio questo fenomeno del tempo negativo.
Questo perché si può spiegare dicendo che solo la parte frontale dell’impulso di lunga durata attraversa in linea retta la nube atomica, mentre il resto viene diffuso. Ciò fa sì che un fotone (non diffuso) arrivi prima di quanto ci si aspetterebbe ingenuamente.
Chiedendo agli atomi
Tuttavia, Aephraim Steinberg, uno degli autori di quell’articolo del 1993, non accettò così facilmente questa interpretazione del tempo negativo come un artefatto. Nel suo laboratorio all’Università di Toronto, voleva scoprire cosa sarebbe successo se si fossero interrogati gli atomi di rubidio nella nube per determinare per quanto tempo il fotone avesse trascorso del tempo tra di essi come eccitazione. Dopo un esperimento iniziale dai risultati inconcludenti , mi chiese, in quanto teorico quantistico, di aiutarlo a capire cosa aspettarsi.
Quando parliamo di interrogare gli atomi, in pratica ciò significa effettuare continuamente una misurazione sugli atomi mentre il fotone attraversa la nube, per verificare se l’energia del fotone si trova attualmente in quel punto. Ma c’è una sottigliezza: le misurazioni in fisica quantistica perturbano inevitabilmente il sistema misurato.
Se potessimo misurare con precisione se un fotone si trova all’interno di un atomo in ogni istante, impediremmo agli atomi di interagire con il fotone. È come se, semplicemente osservando attentamente Calipso, potessimo impedirle di mettere le mani su Ulisse (o viceversa). Questo è il ben noto effetto Zenone quantistico , che distruggerebbe proprio il fenomeno che vogliamo studiare.
Il nostro consumo
La soluzione consiste, invece, nell’effettuare una misurazione molto imprecisa (ma comunque calibrata con grande precisione). Questo è il prezzo da pagare per mantenere la perturbazione trascurabile. Nello specifico, abbiamo fatto passare un debole raggio laser – non correlato all’impulso di singolo fotone – attraverso la nube di atomi e abbiamo misurato piccole variazioni nella fase della luce del raggio per verificare se gli atomi fossero eccitati.
Ogni singola esecuzione dell’esperimento fornisce solo un’indicazione molto approssimativa del fatto che il fotone si sia fermato negli atomi, ma la media di milioni di esecuzioni fornisce un tempo di permanenza accurato.
Sorprendentemente, il risultato di questa debole misurazione del tempo di permanenza, quando il fotone attraversa la nuvola in linea retta, è esattamente uguale al tempo negativo suggerito dal tempo medio di arrivo dei fotoni. Prima del nostro lavoro, nessuno sospettava che questi due tempi, misurati in modi completamente diversi, potessero essere uguali.
Fondamentalmente, il valore negativo del tempo di permanenza, misurato in modo impreciso, non può essere spiegato immaginando che solo la parte anteriore dell’impulso del fotone riesca a passare, a differenza del tempo dedotto dal tempo di arrivo.
Cosa significa tutto questo? Che una macchina del tempo sia dietro l’angolo?
Purtroppo no. Il nostro esperimento è pienamente spiegato dalle leggi standard della fisica.
Ciò dimostra però che il tempo di permanenza negativo non è un artefatto. Per quanto paradossale possa sembrare, ha un effetto direttamente misurabile sulla nube atomica attraversata dal fotone. E ci ricorda che ci sono ancora terre da scoprire nell’odissea della ricerca quantistica.
Abstract
Quando un fotone attraversa una nuvola di atomi senza scattering, quanto tempo trascorre come eccitazione atomica? Per rispondere a questa domanda, abbiamo utilizzato l’effetto Kerr incrociato per sondare debolmente il grado di eccitazione atomica causato da un fotone “segnale” risonante trasmesso, misurando lo sfasamento indotto su un fascio “sonda” (separato, fuori risonanza), postselezionato nei casi in cui il fotone segnale viene trasmesso. L’integrale temporale di questo sfasamento osservato, opportunamente normalizzato e mediato su molte esecuzioni in cui il fotone viene rilevato dopo la trasmissione, è il tempo di eccitazione di interesse, in senso debole. Abbiamo misurato tempi medi di eccitazione atomica che vanno da (−0.82±0.31)0
per l’impulso a banda più stretta (0.54±0.28)0 per l’impulso di segnale a banda più ampia, dove 0
è il tempo di eccitazione non post-selezionato, dato dalla probabilità di scattering moltiplicata per la vita atomica sp
In un intervallo di durate degli impulsi e profondità ottiche, i nostri risultati sono coerenti con la recente previsione teorica secondo cui il valore debole del tempo di eccitazione atomica causato da un fotone trasmesso è uguale al ritardo di gruppo sperimentato dalla luce. I nostri risultati sperimentali mostrano che i tempi negativi non si limitano a descrivere lo spostamento del picco di un pacchetto d’onda rimodellato (come risultante dal ritardo di gruppo), ma forniscono anche la descrizione appropriata del tempo a valore debole che il fotone trascorre come eccitazione atomica.
Materiale fornito da The Conversation . Articolo originale di Howard Wiseman, Direttore del Centre for Quantum Dynamics, Griffith University. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon, Andy Jiao, Howard M. Wiseman, Aephraim M. Steinberg. Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/gjfq-k9dv
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