Odysseen er historien om Odysseus' 10 år lange hjemrejse fra Troja til Ithaka efter den trojanske krig.
Han besøgte mange lande, men tilbragte især tid hos nymfen Kalypso på eventyrøen Ogygia.
Odysseus' hustru Penelope har nok været ret interesseret i netop denne periode, og hvis hun spurgte ind til den, svarede Odysseus muligvis:
»Det var ingenting. Faktisk var det mindre end ingenting. Jeg opholdt mig hos Kalypso i minus 5 år. Hvordan skulle jeg ellers være kommet hjem efter kun 10 år? Hvis du ikke tror mig, så spørg hende.«
Det viser sig, at kvantepartikler er lige så snu som Odysseus, hvilket vi demonstrerer i et eksperiment, offentliggjort i Physical Review Letters.
Ikke alene kan deres ankomsttid antyde, at de har 'opholdt sig' sammen med andre partikler i et negativt tidsrum. Hvis man spørger de andre partikler, bekræfter de historien.
Fotoner 'opholder sig' hos atomer
Vores eksperiment anvendte fotoner (lysets kvantepartikler) og den utrolige rejse, de må gennemgå for at passere direkte gennem en sky af rubidiumatomer.
Atomerne har en såkaldt 'resonans' med fotonerne, hvilket betyder, at fotonens energi midlertidigt kan overføres til atomerne som en atomar excitation. På den måde kan fotonen 'opholde sig' i atomskyen i en periode, før den igen bliver sendt på sin vej.
For at denne resonans kan opstå, skal fotonen have en veldefineret energi, som svarer til den energi, der kræves for at bringe et rubidiumatom i en exciteret tilstand.
Men ifølge en variant af Heisenbergs berømte usikkerhedsprincip gælder det, at hvis fotonens energi er veldefineret, må dens tidsmæssige placering være usikker: Lysimpulsen, som fotonen befinder sig i, må have en lang varighed.
Det betyder, at vi ikke præcist kan vide, hvornår fotonen træder ind i skyen, men vi kan vide det i gennemsnit.
Hvis en sådan foton bliver sendt ind i skyen, er det mest sandsynlige udfald, at dens energi bliver overført til atomerne og derefter udsendt igen som en foton i en tilfældig retning.
I disse tilfælde bliver fotonen spredt og når ikke frem til sit 'Ithaka'.
Fotonernes ankomsttid
Men hvis fotonen faktisk passerer lige igennem, sker der noget mærkeligt.
Ud fra det gennemsnitlige tidspunkt, hvor fotonen træder ind i skyen, kan man beregne, hvornår den i gennemsnit burde nå frem til den anden side, hvis den bevæger sig med lysets hastighed, som fotoner normalt gør.
Det viser sig, at fotonen ankommer langt tidligere end forventet. Faktisk så tidligt, at det ser ud, som om den har tilbragt negativ tid inde i skyen – altså i gennemsnit forlader skyen, før den er gået ind i den.
Denne effekt har været kendt i årtier og blev allerede observeret i et eksperiment i 1993.
Men fysikere har for det meste valgt ikke at tage denne negative tid helt bogstaveligt.
Forklaringen er, at kun den allerforreste del af den langvarige lysimpuls slipper igennem atomskyen, mens resten bliver spredt. Derfor ankommer de få fotoner, der ikke bliver spredt, tidligere end man umiddelbart skulle forvente.
Spørg atomerne
Men Aephraim Steinberg, som er én af forfatterne til artiklen fra 1993, var ikke så hurtig til at acceptere denne afvisning af den negative tid som et artefakt.
I sit laboratorium ved University of Toronto ønskede han at finde ud af, hvad der skete, hvis man ’spurgte’ rubidiumatomerne i skyen for at finde ud af, hvor længe fotonen havde opholdt sig blandt dem som en excitation.
Efter et indledende eksperiment med uklare resultater bad han mig, som kvanteteoretiker, om at hjælpe med at finde ud af, hvad man kunne forvente.
Når vi taler om at ’spørge’ atomerne, betyder det i praksis, at man kontinuerligt foretager en måling på atomerne, mens fotonen passerer gennem skyen, for at undersøge, om fotonens energi aktuelt opholder sig der.
Men der er en finurlig detalje her: målinger i kvantefysik forstyrrer uundgåeligt det system, der måles.
Hvis vi foretog en præcis måling af, om fotonen opholder sig i atomerne i hvert øjeblik, ville vi forhindre atomerne i at interagere med fotonen. Det er, som om vi ved blot at holde Kalypso nøje under opsyn ville forhindre hende i at få fingre i Odysseus (eller omvendt).
Det er den velkendte kvante-Zeno-effekt, som ville ødelægge selve det fænomen, vi ønsker at undersøge.
Vores eksperiment
Løsningen er i stedet at foretage en meget upræcis (men stadig meget præcist kalibreret) måling. Det er prisen for at holde forstyrrelsen ubetydelig.
Konkret sendte vi en svag laserstråle – uafhængig af enkeltfotonpulsen – gennem atomskyen og målte små ændringer i lysets fase for at undersøge, om atomerne var exciterede.
Et enkelt forsøg giver kun en meget grov indikation af, om fotonen opholdt sig i atomerne, men ved at tage gennemsnittet af millioner af forsøg opnår man en præcis opholdstid.
\ Læs også
Forbløffende nok er resultatet af denne svage måling af opholdstiden, når fotonen går direkte gennem skyen, præcis det samme som den negative tid, der foreslås af fotonernes gennemsnitlige ankomsttid.
Før vores arbejde havde ingen mistanke om, at disse to tider, målt på helt forskellige måder, ville være ens.
Det er afgørende at den negative værdi af den svagt målte opholdstid ikke kan forklares ved at forestille sig, at det kun er fronten af fotonpulsen, der slipper igennem – i modsætning til den tid, der udledes af ankomsttiden.
Så hvad betyder alt dette? Er en tidsmaskine lige om hjørnet? Desværre nej. Vores eksperiment kan forklares fuldt ud af standardfysikken.
Men det viser, at negativ opholdstid ikke blot skyldes målemetoden. Hvor paradoksalt det end kan virke, har den en direkte målbar effekt på den atomsky, som fotonen passerer igennem.
Og det minder os om, at der stadig er nye lande at opdage på den begivenhedsrige 'odyssé' eller rejse, som kvanteforskningen er.
Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.
