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

Stel je licht niet alleen voor als een straal energie, maar als een reiziger die door een drukke stad trekt. Normaal gesproken, wanneer een reiziger door een menigte beweegt, botst hij tegen mensen op, pauzeert om te praten en doet er iets langer over om de overkant te bereiken. In de wereld van de natuurkunde wordt deze "extra tijd" de groepsvertraging genoemd. Het is de standaardmaatstaf voor hoe lang een lichtpuls nodig heeft om door een materiaal te reizen vergeleken met het reizen door de lege ruimte. Lange tijd hebben wetenschappers een lastige vraag bedebatteerd: vertegenwoordigt deze vertraging ook echt de tijd die het licht doorbrengt met "rondhangen" in het materiaal, bijvoorbeeld door vast te zitten als een aangeslagen atoom voordat het verder gaat?

Deze vraag wordt vreemd wanneer de kleur (frequentie) van het licht zeer dicht bij de natuurlijke "brom" van de atomen in het materiaal ligt. In deze specifieke zone zegt de wiskunde dat de groepsvertraging negatief kan worden. Een negatieve vertraging klinkt als sciencefiction: het suggereert dat het licht het materiaal verlaat voordat het er zelfs maar volledig is binnengekomen, of dat de piek van de puls eerder verschijnt dan verwacht. De meeste natuurkundigen hebben dit behandeld als een wiskundige truc—een eigenaardigheid van hoe golven met elkaar interfereren—in plaats van een echte fysieke tijd. Ze namen aan dat als de wiskunde "negatieve tijd" zegt, dit simpelweg betekent dat de timing van de golfpieken verschoven is, en niet dat het licht daadwerkelijk "min-tijd" doorbrengt binnen de atomen. Maar wat als de wiskunde ons iets diepers vertelt over de realiteit?

Dit is het verhaal van een recent experiment dat besloot te stoppen met gissen en te beginnen met meten. De onderzoekers stelden een gedurfde vraag: Als een enkel foton van licht er succesvol door een wolk van atomen doorheen komt zonder geabsorbeerd te worden, hoeveel tijd heeft het dan daadwerkelijk doorgebracht met het opwekken van die atomen? Om dit te ontdekken, keken ze niet alleen naar het licht dat erin en eruit gaat; ze bouwden een supergevoelige "tijddetector" met behulp van een slimme truc genaamd het cross-Kerr-effect. Denk er zo over: de hoofdlichtpuls (het signaal) is de reiziger, en een tweede, zwakke laserstraal (de sonde) is een beveiligingscamera die de menigte in de gaten houdt. Wanneer de reiziger tegen de menigte botst, raken de atomen lichtelijk geprikkeld. Deze opwinding verandert de "textuur" van de lucht net genoeg zodat de straal van de beveiligingscamera zijn fase (zijn timingritme) heel even verschuift. Door deze minuscule verschuiving te meten, kon het team precies berekenen hoe lang de atomen werden opgewekt door dat specifieke foton.

De resultaten waren verbijsterend. Het team mat de "excitatietijd" van fotonen die door een wolk van koude rubidiumatomen trokken. Ze ontdekten dat voor bepaalde soorten lichtpulsen de atomen inderdaad een negatieve hoeveelheid tijd werden opgewekt. Specifiek, voor hun smalste lichtpulsen, maten ze een gemiddelde atomaire excitatietijd van (-0,82 ± 0,31)τ₀, waarbij τ₀ een standaardeenheid van tijd is gebaseerd op hoe lang een atoom van nature in een opgewekte staat blijft. Voor hun breedste pulsen was de tijd positief, namelijk (0,54 ± 0,28)τ₀.

Dit is niet slechts een oefening in cijfers kraken; het daagt onze intuïtie over tijd uit. Het experiment suggereert dat wanneer de groepsvertraging negatief is, het niet alleen een wiskundige interferentietruc is. In plaats daarvan is de "negatieve tijd" een echte, fysieke grootheid die beschrijft hoe het foton met de atomen interacteert. De gegevens toonden aan dat de tijd die de atomen opgewekt waren (zoals gemeten door de sonde-straal) overeenkwam met de groepsvertraging die de theorie voorspelde, zelfs toen die vertraging negatief was. Met andere woorden, de wiskunde loog niet. Het foton heeft de tijd niet simpelweg "overgeslagen"; de interactie zelf had een negatieve duur.

De onderzoekers gebruikten een wolk van ⁸⁵Rb (rubidium) atomen die gekoeld waren tot een ijzige 60-70 µK (microkelvin) om ervoor te zorgen dat de atomen stil en rustig waren. Ze vuurden korte pulsen van licht af, variërend van 10 ns tot 36 ns in duur, door de wolk. Ze moesten extreem precies zijn en verzamelden gegevens over tientallen miljoenen cycli om ruis weg te filteren, omdat het effect waarnaar ze zochten minuscuul was—in de orde van grootte van 10 tot 20 µrad (micro-radians) faseverschuiving. Ze moesten ook voorzichtig zijn om alleen de fotonen te tellen die daadwerkelijk door de wolk heen kwamen (getransmitteerde fotonen), en de fotonen te negeren die geabsorbeerd of verstrooid werden.

Waarom is dit belangrijk? Het suggereert dat het concept van "tijd" in de kwantummechanica fluïder is dan we dachten. Alleen omdat een getal negatief is, betekent dat niet dat het betekenisloos is. De groepsvertraging, zelfs wanneer deze negatief is, lijkt werkelijke fysieke effecten te beheersen, zoals hoeveel een foton de atomen die het passeert verstoort. Het artikel concludeert dat deze negatieve waarden "meer fysieke betekenis hebben dan algemeen wordt erkend". Het is een herinnering aan het feit dat in de kwantumwereld de meest contra-intuïtieve antwoorden soms de antwoorden zijn die daadwerkelijk waar zijn. Het licht brak de regels van de natuurkunde niet; het liet ons simpelweg zien dat de regels vreemder zijn dan we ons hadden voorgesteld.