Homerin bizə dediyi kimi, Odissey, çətinliklərə baxmayaraq, Troyadan İtakadakı evinə qədər möhtəşəm bir səyahət etdi. O, bir çox əraziləri gəzdi, lakin əsasən onun adasında nimfa Kalipso ilə birlikdə yaşadı.

Təsəvvür edə bilərik ki, həyat yoldaşı Penelopa ondan həmin vaxt haqqında soruşardı. Odissey cavab verə bilərdi: “Bu, heç nə deyildi. Əslində, heç nədən də az idi. Mən Kalipso ilə beş il yaşadım. On ildən sonra evə necə qayıda bilərdim? Mənə inanmırsınızsa, ondan soruşun.”

Məlum olur ki, kvant hissəcikləri də Odissey qədər hiyləgərdir, bunu Physical Review Letters jurnalında dərc olunmuş bir təcrübədə göstərdik . Onların gəliş vaxtı təkcə digər hissəciklərlə mənfi müddət ərzində birlikdə qaldıqlarını göstərmir, həm də həmin digər hissəciklərdən soruşulduqda, onlar hekayəni təsdiqləyəcəklər.

Atomlarla birlikdə yaşayan fotonlar

Təcrübəmizdə fotonlardan – işığın kvant hissəciklərindən – və rubidium atomları buludundan keçmək üçün etməli olduqları əks səyahətdən istifadə edildi.

Bu atomlar fotonlarla “rezonans”a malikdirlər, yəni fotonun enerjisi atom həyəcanı kimi müvəqqəti olaraq atomlara ötürülə bilər. Bu, fotonun sərbəst buraxılmazdan əvvəl bir müddət atom buludunda “məskunlaşmasına” imkan verir.

Bu rezonansın təsirli olması üçün fotonun rubidium atomunu həyəcanlanmış vəziyyətə salmaq üçün tələb olunan enerji miqdarına uyğun olaraq yaxşı müəyyən edilmiş bir enerjisi olmalıdır.

Lakin, Heisenberqin məşhur qeyri-müəyyənlik prinsipinin bir formasına görə , əgər fotonun enerjisi yaxşı müəyyən edilibsə, onun vaxtı qeyri-müəyyən olmalıdır: fotonun tutduğu işıq impulsu uzun müddətə malik olmalıdır. Bu o deməkdir ki, fotonun buluda nə vaxt daxil olduğunu dəqiq bilə bilmərik, amma orta hesabla nə vaxt daxil olduğunu bilə bilərik .

Əgər bu kimi bir foton buluda atılarsa, ən çox ehtimal olunan nəticə onun enerjisinin atomlara ötürülməsi və sonra təsadüfi istiqamətdə hərəkət edən foton kimi yenidən şüalanmasıdır. Belə hallarda, foton səpələnir və İtakaya çata bilmir.

Fotonların gəliş vaxtları

Lakin foton düz keçərsə, qəribə bir şey baş verir. Fotonun buluda daxil olduğu orta vaxta əsasən, buludun işıq sürəti ilə hərəkət etdiyini fərz etsək (fotonların adətən etdiyi kimi), buludun uzaq tərəfinə çatacağı gözlənilən orta vaxtı hesablamaq olar.

Məlum olur ki, foton əslində bundan daha tez çatır. Əslində, o qədər tez çatır ki, buludun içərisində mənfi bir müddət keçirmiş kimi görünür – orta hesabla, içəri girməzdən əvvəl çıxmaq üçün.

Bu təsir onilliklərdir məlumdur və 1993-cü ildə aparılan bir təcrübədə müşahidə edilmişdir . Lakin fiziklər əsasən bu mənfi vaxtı ciddiyə almamaq qərarına gəlmişdilər.

Çünki bunu belə izah etmək olar ki, uzunmüddətli impulsun yalnız ön hissəsi atom buludundan birbaşa keçir, qalan hissəsi isə səpələnmişdir. Bu, uğurlu (səpələnməmiş) fotonun sadəlövhcəsinə gözləniləndən daha tez çatmasına gətirib çıxarır.

Atomlardan soruşmaq

Lakin, 1993-cü ildə yazılmış həmin məqalənin müəlliflərindən biri olan Aefraim Steinberg, mənfi zamanın artefakt kimi rədd edilməsini o qədər də tez qəbul etmədi. Toronto Universitetindəki laboratoriyasında o, buluddakı rubidium atomlarından fotonun həyəcanlanma kimi onların arasında nə qədər qaldığını öyrənmək üçün sorğu aparılarsa nə baş verəcəyini öyrənmək istədi. İlkin təcrübənin nəticəsiz qalmasından sonra o, kvant nəzəriyyəçisi kimi məndən nə gözləməli olduğumuzu anlamaqda kömək istədi.

Atomları sorğulamaqdan danışarkən, bunun praktikada mənası foton buluddan keçərkən atomlar üzərində davamlı olaraq ölçmə aparmaq və fotonun enerjisinin hazırda orada olub-olmadığını araşdırmaqdır. Lakin burada bir incəlik var: kvant fizikasındakı ölçmələr qaçılmaz olaraq ölçülən sistemi pozur.

Əgər fotonun atomlarda olub-olmadığını dəqiq ölçsəydik, hər an atomların fotonla qarşılıqlı təsirinin qarşısını alardıq. Sanki sadəcə Kalipsonu yaxından izləməklə onun Odisseyə (və ya əksinə) əl atmasının qarşısını alardıq. Bu, öyrənmək istədiyimiz fenomeni məhv edəcək məşhur kvant Zeno effektidir .

Bizim təcrübəmiz

Həll yolu isə çox qeyri-dəqiq (lakin yenə də çox dəqiq kalibrlənmiş) bir ölçmə aparmaqdır. Bu, narahatlığı əhəmiyyətsiz saxlamaq üçün ödənilən qiymətdir. Xüsusilə, atomlar buludu vasitəsilə tək foton impulsu ilə əlaqəsi olmayan zəif bir lazer şüası atdıq və atomların həyəcanlanıb-həyəcanlanmadığını araşdırmaq üçün şüanın işığının fazasında kiçik dəyişiklikləri ölçdük.

Təcrübənin hər hansı bir mərhələsi fotonun atomlarda yaşayıb-yaşamadığını yalnız çox təxmini şəkildə göstərir, lakin milyonlarla mərhələnin ortalaması dəqiq bir qalma müddəti verir.

Təəccüblüdür ki, foton buluddan düz keçdikdə, bu zəif qalma müddətinin ölçülməsinin nəticəsi, fotonların orta gəliş vaxtı ilə təklif olunan mənfi vaxta tam bərabərdir. İşimizdən əvvəl heç kim tamamilə fərqli şəkildə ölçülən bu iki vaxtın bərabər olacağından şübhələnmirdi.

Ən əsası, zəif ölçülmüş qalma müddətinin mənfi dəyəri, çatma vaxtından əldə edilən vaxtdan fərqli olaraq, fotonun impulsunun yalnız ön hissəsinin keçdiyini təsəvvür etməklə izah edilə bilməz.

Bəs bütün bunlar nə deməkdir? Zaman maşını yaxındadırmı?

Təəssüf ki, yox. Bizim təcrübəmiz standart fizika ilə tam izah olunur.

Lakin bu, mənfi qalma müddətinin artefakt olmadığını göstərir. Nə qədər paradoksal görünsə də, fotonun keçdiyi atom buluduna birbaşa ölçülə bilən təsir göstərir. Və bu, bizə kvant tədqiqatı olan odisseyada hələ də kəşf edilməli olan ərazilərin olduğunu xatırladır.