Yeni Deneyler 'Negatif Zaman'ın Gerçekten Var Olduğunu Gösteriyor

Karısı Penelope’nin ona o dönemi sorduğunu hayal edebiliriz. Odysseus şöyle cevap vermiş olabilir: “Önemli bir şey değildi. Aslında, önemsizden de öteydi. Calypso ile eksi beş yıl kaldım. Yoksa on yıl sonra eve nasıl dönebilirdim ki? Bana inanmıyorsan, ona sor."

Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bir deneyde gösterdiğimiz gibi, kuantum parçacıkları da Odysseus kadar kurnazdır.

Sadece varış zamanları, diğer parçacıklarla negatif bir süre kaldıklarını göstermekle kalmaz, aynı zamanda bu diğer parçacıklara sorulursa, onlar da bu hikayeyi doğrularlar.

 

Atomlarla birlikte kalan fotonlar

Deneyimizde fotonlar – ışığın kuantum parçacıkları – ve bir rubidyum atom bulutunun içinden geçmek için üstlenmeleri gereken, olasılıklara aykırı yolculuk kullanıldı.

Bu atomlar fotonlarla “rezonansa” girer; bu, fotonun enerjisinin geçici olarak atomik uyarılma şeklinde atomlara aktarılabileceği anlamına gelir. Bu, fotonun serbest bırakılmadan önce bir süre atomik bulutta “kalmasına” olanak tanır.

Bu rezonansın etkili olabilmesi için, fotonun, bir rubidyum atomunu uyarılmış duruma getirmek için gereken enerji miktarına uyan, iyi tanımlanmış bir enerjiye sahip olması gerekir.

Ancak, Heisenberg'in ünlü belirsizlik ilkesinin bir biçimine göre, fotonun enerjisi iyi tanımlanmışsa, zamanlaması belirsiz olmalıdır: fotonun işgal ettiği ışık darbesi uzun bir süreye sahip olmalıdır. Bu, fotonun buluta tam olarak ne zaman girdiğini bilemeyeceğimiz, ancak ortalama olarak ne zaman girdiğini bilebileceğimiz anlamına gelir.

Böyle bir foton buluta gönderilirse, en olası sonuç, enerjisinin atomlara aktarılması ve ardından rastgele bir yönde hareket eden bir foton olarak yeniden yayılmasıdır. Bu gibi durumlarda, foton saçılır ve hedefine ulaşamaz.

 

Fotonun varış zamanları

Ancak foton doğrudan geçerse, garip bir şey olur.

Fotonun buluta girdiği ortalama zamana dayanarak, ışık hızında hareket ettiğini varsayarsak (fotonlar genellikle böyle hareket eder), bulutun diğer tarafına ulaşması beklenen ortalama süreyi hesaplayabiliriz.

Ancak, fotonun aslında bundan çok daha erken ulaştığı görülür. Hatta o kadar erken ulaşır ki, bulutun içinde negatif bir süre geçirmiş gibi görünür – ortalama olarak, girmeden önce çıkmış gibi.

Bu etki on yıllardır bilinmektedir ve 1993 yılında yapılan bir deneyde gözlemlenmiştir. Ancak fizikçiler çoğunlukla bu negatif süreyi ciddiye almamaya karar vermişlerdi.

Bunun nedeni, uzun süreli darbenin sadece en ön kısmının atom bulutunu düz bir şekilde geçip geri kalanının saçılmasının, bu durumu açıklayabileceğidir. Bu da, başarılı (saçılmamış) bir fotonun, naif bir şekilde beklenenden daha erken varmasına yol açar.

 

Atomlara Sormak

Ancak, 1993 tarihli bu makalenin yazarlarından biri olan Aephraim Steinberg, negatif zamanın bir ölçüm hatası olduğu yönündeki bu görüşü o kadar çabuk kabul etmedi.

Toronto Üniversitesi’ndeki laboratuvarında, fotonun uyarılmış haldeyken bulut içindeki rubidyum atomları arasında ne kadar süre kaldığını öğrenmek için bu atomlara “sorgulama” yapıldığında ne olacağını araştırmak istedi.

Sonuçları kesin olmayan ilk deneyin ardından, bir kuantum teorisyeni olarak benden ne beklemesi gerektiğini belirlemede yardım istedi.

Atomlara soru sormaktan bahsettiğimizde, bunun pratikte anlamı, foton bulutun içinden geçerken atomlar üzerinde sürekli ölçüm yapmak ve fotonun enerjisinin o anda orada bulunup bulunmadığını araştırmaktır.

Ancak burada bir incelik var: Kuantum fiziğinde yapılan ölçümler, kaçınılmaz olarak ölçülen sistemi bozar.

Her an fotonun atomlarda bulunup bulunmadığını kesin olarak ölçmeye çalışırsak, atomların fotonla etkileşime girmesini engelleriz.

Sanki sadece Calypso'yu yakından izleyerek, onun Odysseus'a dokunmasını (ya da tam tersini) engellemiş oluruz. Bu, incelemek istediğimiz olguyu yok edecek olan, iyi bilinen kuantum Zeno etkisidir.

 

Deneyimiz

Çözüm, bunun yerine çok kesin olmayan (ancak yine de çok hassas bir şekilde kalibre edilmiş) bir ölçüm yapmaktır. Bu, bozulmayı ihmal edilebilir düzeyde tutmak için ödenen bedeldir.

Spesifik olarak, atom bulutunun içinden – tek foton darbesi ile ilgisi olmayan – zayıf bir lazer ışını ateşledik ve atomların uyarılıp uyarılmadığını araştırmak için ışının fazındaki küçük değişiklikleri ölçtük.

Deneyin tek bir tekrarı, fotonun atomlarda kalıp kalmadığını sadece çok kaba bir şekilde gösterir, ancak milyonlarca tekrarın ortalaması doğru bir kalma süresi verir.

Şaşırtıcı bir şekilde, foton bulutun içinden düz bir şekilde geçtiğinde, bu zayıf kalma süresi ölçümünün sonucu, fotonların ortalama varış süresinden çıkarılan negatif süreye tam olarak eşittir.

Çalışmamızdan önce, tamamen farklı şekillerde ölçülen bu iki sürenin eşit olacağını kimse tahmin etmemişti.

Önemli olan nokta, zayıf bir şekilde ölçülen kalma süresinin negatif değeri, varış süresinden çıkarılan süreden farklı olarak, foton darbesinin sadece ön kısmının geçtiği varsayımıyla açıklanamaz.

Peki tüm bunlar ne anlama geliyor? Zaman makinesi çok yakında mı?

Ne yazık ki hayır. Deneyimiz, standart fizik kurallarıyla tam olarak açıklanabilir.

Ancak bu, negatif kalma süresinin bir yanılsama olmadığını gösteriyor. Ne kadar paradoksal görünse de, fotonun geçtiği atom bulutu üzerinde doğrudan ölçülebilir bir etkisi var.

Ve bu, kuantum araştırmalarının oluşturduğu bu uzun yolculukta keşfedilecek alanların hâlâ olduğunu bize hatırlatıyor.

Howard Wiseman, Direktör, Kuantum Dinamikleri Merkezi, Griffith Üniversitesi