Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud

प्रकाश की कल्पना केवल ऊर्जा की एक किरण के रूप में नहीं, बल्कि एक भीड़ भरे शहर से गुजरने वाले एक यात्री के रूप में करें। आमतौर पर, जब कोई यात्री भीड़ के बीच से गुजरता है, तो वह लोगों से टकराता है, बातचीत के लिए रुकता है, और दूसरी ओर पहुँचने में थोड़ा अधिक समय लेता है। भौतिकी की दुनिया में, इस "अतिरिक्त समय" को ग्रुप डिले (group delay) कहा जाता है। यह इस बात का मानक माप है कि प्रकाश का एक पल्स (pulse) खाली स्थान के माध्यम से यात्रा करने की तुलना में किसी पदार्थ के माध्यम से यात्रा करने में कितना समय लेता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने एक पेचीदा सवाल पर बहस की है: क्या यह विलंब वास्तव में उस समय का प्रतिनिधित्व करता है जो प्रकाश पदार्थ के भीतर "समय बिताने" में खर्च करता है, शायद आगे बढ़ने से पहले एक उत्तेजित परमाणु के रूप में फंस जाता है?

यह सवाल तब अजीब हो जाता है जब प्रकाश का रंग (आवृत्ति) पदार्थ के परमाणुओं की प्राकृतिक "गूँज" के बहुत करीब होता है। इस विशिष्ट क्षेत्र में, गणित कहता है कि ग्रुप डिले ऋणात्मक (negative) हो सकता है। एक ऋणात्मक विलंब विज्ञान कथा जैसा लगता है: यह सुझाव देता है कि प्रकाश पदार्थ में पूरी तरह से प्रवेश करने से पहले ही बाहर निकल जाता है, या पल्स का शिखर (peak) उम्मीद से पहले दिखाई देता है। अधिकांश भौतिकविदों ने इसे एक गणितीय युक्ति के रूप में माना है—तरंगों के आपस में हस्तक्षेप (interference) करने का एक गुण—न कि एक वास्तविक भौतिक समय के रूप में। उन्होंने माना कि यदि गणित "ऋणात्मक समय" कहता है, तो इसका मतलब केवल यह है कि तरंग के शिखरों का समय बदल गया है, न कि यह कि प्रकाश वास्तव में परमाणुओं के भीतर "ऋणात्मक समय" बिता रहा है। लेकिन क्या होगा यदि गणित हमें वास्तविकता के बारे में कुछ गहरा बता रहा है?

यह एक हालिया प्रयोग की कहानी है जिसने अनुमान लगाना बंद करने और मापना शुरू करने का निर्णय लिया। शोधकर्ताओं ने एक साहसिक प्रश्न पूछा: यदि प्रकाश का एक एकल फोटॉन बिना अवशोषित हुए परमाणुओं के बादल से सफलतापूर्वक गुजर जाता है, तो उसने वास्तव में उन परमाणुओं को उत्तेजित करने में कितना समय बिताया? यह पता लगाने के लिए, उन्होंने केवल प्रकाश को अंदर और बाहर जाते हुए नहीं देखा; उन्होंने क्रॉस-केर प्रभाव (cross-Kerr effect) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करके एक अत्यंत संवेदनशील "टाइम डिटेक्टर" बनाया। इसे इस प्रकार समझें: मुख्य प्रकाश पल्स (सिग्नल) यात्री है, और दूसरा, मंद लेजर बीम (प्रोब) एक सुरक्षा कैमरा है जो भीड़ की निगरानी कर रहा है। जब यात्री भीड़ से टकराता है, तो परमाणु थोड़े उत्तेजित हो जाते हैं। यह उत्तेजना हवा की "बनावट" को इतना बदल देती है कि सुरक्षा कैमरे की बीम अपने चरण (phase/timing rhythm) को बहुत मामूली रूप से बदल देती है। इस सूक्ष्म बदलाव को मापकर, टीम यह गणना कर सकी कि उस विशिष्ट फोटॉन द्वारा परमाणुओं को ठीक कितनी देर तक उत्तेजित किया गया था।

परिणाम चौंकाने वाले थे। टीम ने ठंडे रुबिडियम परमाणुओं के बादल के माध्यम से गुजरने वाले फोटॉन्स के लिए "उत्तेजना समय" (excitation time) को मापा। उन्होंने पाया कि प्रकाश के कुछ प्रकार के पल्स के लिए, परमाणु वास्तव में ऋणात्मक समय के लिए उत्तेजित थे। विशेष रूप से, उनके सबसे संकीर्ण प्रकाश पल्स के लिए, उन्होंने (-0.82 ± 0.31)τ₀ का औसत परमाणु उत्तेजना समय मापा, जहाँ τ₀ समय की एक मानक इकाई है जो बताती है कि एक परमाणु स्वाभाविक रूप से कितनी देर तक उत्तेजित रहता है। उनके सबसे व्यापक पल्स के लिए, समय धनात्मक था, जो (0.54 ± 0.28)τ₀ था।

यह केवल नंबरों की गणना का अभ्यास नहीं है; यह हमारी सहज बुद्धि को चुनौती देता है। प्रयोग बताता है कि जब ग्रुप डिले ऋणात्मक होता है, तो यह केवल एक तरंग हस्तक्षेप की युक्ति नहीं है। इसके बजाय, "ऋणात्मक समय" एक वास्तविक, भौतिक मात्रा है जो यह बताती है कि फोटॉन परमाणुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। डेटा ने दिखाया कि परमाणुओं ने उत्तेजित रहने में जो समय बिताया (जैसा कि प्रोब बीम द्वारा मापा गया था), वह सिद्धांत द्वारा अनुमानित ग्रुप डिले से मेल खाता था, भले ही वह डिले ऋणात्मक था। दूसरे शब्दों में, गणित झूठ नहीं बोल रहा था। फोटॉन ने केवल समय को "छोड़ा" नहीं था; परस्पर क्रिया की अवधि स्वयं ऋणात्मक थी।

शोधकर्ताओं ने 85Rb (रुबिडियम) के परमाणुओं के बादल का उपयोग किया जिसे 60-70 µK (माइक्रोकेल्विन) के बर्फीले तापमान तक ठंडा किया गया था ताकि परमाणु स्थिर और शांत रहें। उन्होंने बादल के माध्यम से 10 ns से 36 ns की अवधि वाले प्रकाश के छोटे पल्स छोड़े। उन्हें अविश्वसनीय रूप से सटीक होना पड़ा, शोर को छानने के लिए करोड़ों चक्रों में डेटा एकत्र करना पड़ा, क्योंकि जिस प्रभाव को वे खोज रहे थे वह बहुत सूक्ष्म था—फेज शिफ्ट के लगभग 10 से 20 µrad (माइक्रो-रेडियंस) के क्रम में। उन्हें यह भी ध्यान रखना पड़ा कि केवल उन्हीं फोटॉन्स को गिना जाए जो वास्तव में बादल से सफलतापूर्वक गुजर गए (पारगमन फोटॉन), उन फोटॉन्स को अनदेखा करते हुए जो अवशोषित या बिखरे गए थे।

यह क्यों मायने रखता है? यह सुझाव देता है कि क्वांटम यांत्रिकी में "समय" की अवधारणा हमारी सोच से कहीं अधिक तरल है। सिर्फ इसलिए कि एक संख्या ऋणात्मक है, इसका मतलब यह नहीं है कि वह अर्थहीन है। ग्रुप डिले, भले ही ऋणात्मक हो, वास्तविक भौतिक प्रभावों को नियंत्रित करता है, जैसे कि एक फोटॉन उस परमाणु को कितना विचलित करता है जिससे वह गुजरता है। पेपर निष्कर्ष निकालता है कि इन ऋणात्मक मूल्यों का "सामान्य रूप से अपेक्षित से अधिक भौतिक महत्व है।" यह एक अनुस्मारक है कि क्वांटम दुनिया में, कभी-कभी सबसे प्रति-सहज (counterintuitive) उत्तर ही वास्तव में सत्य होते हैं। प्रकाश ने भौतिकी के नियमों को तोड़ा नहीं; इसने बस हमें दिखाया कि नियम हमारी कल्पना से कहीं अधिक विचित्र हैं।