Fysikere har målt negativ tid, og atomene er enige

Daniela Angulo og kollegene ved University of Toronto har målt negativ tid. De sendte lys gjennom en sky av nedkjølte rubidiumatomer og målte to ting. Det ene var når lyset kom ut på den andre siden. Det andre var hvor lenge atomene i skyen tok opp energi fra lyset på vei igjennom.

Det siste tallet ble negativt.

Med ett vesentlig forbehold: Tallet gjelder bare de fotonene som faktisk kom seg gjennom skyen. Oppholdstiden regnes ut i etterkant, for den delen av lyset som slapp igjennom, ikke for alt lyset som ble sendt inn. Tittelen på den fagfellevurderte artikkelen sier det rett ut: negative verdier for tiden atomene står i eksitert tilstand «mens et foton blir transmittert».

Lyset kom altså ut så tidlig at oppholdstiden inne i skyen fikk negativt fortegn. Ingenting reiser bakover i tid, og lyset går ikke fortere enn lyshastigheten. Det er regnestykket for hvor lenge lyset har vært inne i skyen som ender under null.

Resultatet er publisert i Physical Review Letters.

Slik måler man noe så lite

Når et atom treffes av lys, kan det ta opp energien og holde den en liten stund før det gir den fra seg igjen. Fysikerne sier at atomet går inn i en eksitert tilstand. Rent praktisk betyr det at atomet er ladet opp, og at det snart faller tilbake.

Hvor lenge atomene i skyen står slik, forteller hvor lenge lyset har vært hos dem. Det gir en klokke som er helt uavhengig av lyset selv.

Problemet er at en vanlig måling ødelegger det den måler. I kvantefysikken er det slik at dersom du måler et atom, tvinger du det til å bestemme seg, og da er svaret borte.

Løsningen er å sende en andre, mye svakere laserstråle gjennom skyen. Den strålen blir litt forsinket i takten sin på vei igjennom. Bølgetoppene kommer et ørlite hakk forskjøvet ut, og hvor stor forskyvningen er, avhenger av hvor mange atomer som er ladet opp i det øyeblikket. Slik leser forskerne av atomene uten å knuse svaret.

Atomene gir samme svar som lyset. Negativ oppholdstid.

Men ikke uansett hvordan de måler. Med en smalbåndet lyspuls får de −0,82 av atomenes naturlige levetid. Med en bredbåndet puls blir tallet positivt, +0,54. Det negative resultatet gjelder altså et bestemt oppsett, og det ligger rundt 2,6 standardavvik fra null.

Hvorfor det ikke er en regnefeil

Selve målingen har vært kjent i noen år, og innvendingen er alltid den samme: Kanskje er negativ tid bare et blendverk skapt av lysbølgens form.

En lyspuls er ikke et ballkast. Den er en bølge med en form, og formen kan endre seg på veien. Toppen av pulsen kan derfor komme ut litt før den skulle, uten at noe har beveget seg fortere enn lyset. Det er som at en bølge som ruller inn mot land, kan skifte fasong underveis, slik at det høyeste punktet flytter seg fremover i bølgen.

Derfor spør forskerne atomene istedet for lyset. Det de måler, er hvor mye atomene lades opp, og det tallet følger den beregnede forsinkelsen for lyspulsen. Det nye ligger i atomene: Selve mediet lyset gikk gjennom, bærer det negative tallet i seg.

Ingen tidsmaskin

Forskerne er selv tydelige på hva dette ikke er. Forsøket er fullt ut forklart av vanlig kvantemekanikk. Ingen informasjon går fortere enn lyset, og du kan ikke sende en beskjed til igår.

Det som skjer, er at spørsmålet «hvor lenge er lyset inni der» viser seg å være dårligere stilt enn det høres ut som. Lyset har ingen liten bane gjennom atomskyen slik en kule har gjennom en pute. Regner du likevel ut en oppholdstid ut fra hvor mye atomene blir ladet opp, kan tallet bli negativt.

Det nye er at tallet lar seg måle. Før kunne man mistenke at negativ tid bare fantes i ligningene. Nå er det en størrelse som lar seg lese av atomene selv.