Zaman Geriye Doğru Hareket Edebilir mi? Bilim İnsanları Zihin Bükücü Bir Fenomeni Çözüyor
Kuantum Fizikçileri Negatif Zamanı Keşfetti
Fizikçiler fotonların bir malzemeye girmeden önce ondan çıkıyor gibi görünebileceğini göstererek negatif zamanın gözlemsel kanıtını ortaya koydular
Kuantum fizikçileri tuhaf, görünüşte saçma olgulara aşinadır: atomlar ve moleküller bazen parçacık, bazen dalga gibi davranır; parçacıklar birbirlerine çok uzak mesafelerde bile “uzaktan ürkütücü bir eylemle” bağlanabilir; ve kuantum nesneleri, Alice’in Harikalar Diyarında Maceraları’ndaki Cheshire Kedisi’nin kendini sırıtışından ayırması gibi kendilerini özelliklerinden ayırabilir. Şimdi de Toronto Üniversitesi’nden Daniela Angulo liderliğindeki araştırmacılar bir başka tuhaf kuantum sonucunu ortaya çıkardılar: Işığın dalga parçacıkları olan fotonlar, soğutulmuş atomlardan oluşan bir bulutun içinden geçerken negatif miktarda zaman harcayabilirler. Başka bir deyişle, fotonlar bir malzemeye girmeden önce ondan çıkıyor gibi görünebilir.
Toronto Üniversitesi’nde fizikçi olan Aephraim Steinberg, 5 Eylül’de ön baskı sunucusu arXiv.org’a yüklenen ve henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş olan yeni çalışmayla ilgili olarak X’te (eski adıyla Twitter) yaptığı paylaşımda “Pozitif bir zaman aldı ama fotonların atomların uyarılmış durumda *negatif* bir zaman geçiriyor gibi görünmesini sağladığını gözlemleyen deneyimiz tamamlandı!” diye yazdı.
Bu çalışma fikri 2017 yılında ortaya çıktı. O zamanlar Steinberg ve bir laboratuvar arkadaşı olan doktora öğrencisi Josiah Sinclair, ışık ve maddenin etkileşimiyle, özellikle de atomik uyarılma adı verilen bir fenomenle ilgileniyorlardı: fotonlar bir ortamdan geçip emildiğinde, o ortamdaki atomların etrafında dönen elektronlar daha yüksek enerji seviyelerine sıçrıyor. Bu uyarılmış elektronlar orijinal hallerine döndüklerinde, emilen enerjiyi yeniden yayılan fotonlar olarak serbest bırakırlar ve ışığın ortamdan gözlemlenen geçiş süresinde bir zaman gecikmesi yaratırlar.
Sinclair’in ekibi bu zaman gecikmesini (bazen teknik olarak “grup gecikmesi” olarak adlandırılır) ölçmek ve bunun fotonun kaderine bağlı olup olmadığını öğrenmek istedi: Atom bulutu içinde dağılıp soğurulmuş muydu, yoksa hiçbir etkileşim olmadan mı iletilmişti? Sinclair, “O zamanlar cevabın ne olduğundan emin değildik ve bu kadar temel bir konuda böylesine temel bir soruyu yanıtlamanın kolay olması gerektiğini düşünüyorduk,” diyor. “Ancak ne kadar çok insanla konuşursak, herkesin kendi sezgisi veya tahmini olsa da, doğru cevabın ne olacağı konusunda bir uzman konsensüsü olmadığını fark ettik.” Bu gecikmelerin doğası çok garip ve mantıksız olabildiği için, bazı araştırmacılar bu fenomeni ışıkla ilişkili herhangi bir fiziksel özelliği tanımlamak için etkili bir şekilde anlamsız olarak yazmışlardı.
Üç yıllık bir planlamanın ardından, ekibi bu soruyu laboratuvarda test etmek için bir aygıt geliştirdi. Deneyleri, ultra soğuk rubidyum atomlarından oluşan bir bulutun içinden foton atmayı ve bunun sonucunda ortaya çıkan atomik uyarılma derecesini ölçmeyi içeriyordu. Deneyde iki sürpriz ortaya çıktı: Bazen fotonlar zarar görmeden geçiyordu, ancak rubidyum atomları yine de uyarılıyordu – ve sanki bu fotonları emmişler gibi uzun süre uyarılıyorlardı. Daha da garibi, fotonlar soğurulduğunda, rubidyum atomları temel durumlarına dönmeden çok önce, neredeyse anında yeniden yayılıyor gibi görünüyorlardı – sanki fotonlar ortalama olarak atomları beklenenden daha hızlı terk ediyorlardı.
Ekip daha sonra bir açıklama geliştirmek için Avustralya’daki Griffith Üniversitesi’nde teorik ve kuantum fizikçisi olan Howard Wiseman ile işbirliği yaptı. Ortaya çıkan teorik çerçeve, iletilen bu fotonların bir atomik uyarım olarak geçirdikleri sürenin, ışık tarafından elde edilen beklenen grup gecikmesiyle mükemmel bir şekilde eşleştiğini gösterdi – fotonların atomik uyarım azalmadan önce yeniden yayılmış gibi göründüğü durumlarda bile.
Bu saçma bulguyu anlamak için fotonları bulanık kuantum nesneleri olarak düşünebilirsiniz; bu nesnelerde herhangi bir fotonun atomik bir uyarım yoluyla emilimi ve yeniden emilimi belirli bir sabit süre boyunca gerçekleşmesi garanti edilmez; bunun yerine, zamansal değerlerin parçalanmış, olasılıksal bir aralığında gerçekleşir. Ekibin deneylerinde gösterildiği gibi, bu değerler, tek bir fotonun geçiş süresinin anlık olduğu ya da tuhaf bir şekilde, atomik uyarım sona ermeden önce sona erdiği ve negatif bir değer verdiği durumları kapsayabilir.
Sinclair, grup gecikmesi ile iletilen fotonların atomik uyarımlar olarak geçirdiği süre arasındaki eşleşmeye atıfta bulunarak, “Bu tahmine tamamen şaşırdığımıza söz verebilirim” diyor. “Bir hata yapmadığımızdan emin olur olmaz Steinberg ve ekibin geri kalanı – ben bu noktada [Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde] doktora sonrası çalışmaya başlamıştım – bu çılgın negatif bekleme süresi tahminini test etmek ve teorinin tutup tutmayacağını görmek için bir takip deneyi yapmayı planlamaya başladılar.”
Angulo tarafından yönetilen ve Steinberg’in X’te lanse ettiği bu takip deneyi, bir fotonun iletilebileceği iki yol göz önünde bulundurularak anlaşılabilir. Birinde, foton bir tür at gözlüğü takar ve atomu tamamen görmezden gelir, başını bile sallamadan ayrılır. Diğerinde ise atomla etkileşime girerek onu daha yüksek bir enerji seviyesine çıkarır ve sonra tekrar yayılır.
“İletilen bir foton gördüğünüzde, bunlardan hangisinin gerçekleştiğini bilemezsiniz” diyen Steinberg, fotonlar kuantum alemindeki kuantum parçacıkları olduğu için, iki sonucun da süperpozisyonda olabileceğini, yani her iki şeyin de aynı anda gerçekleşebileceğini ekliyor. “Ölçüm cihazı, sıfırı ölçme ve küçük bir pozitif değeri ölçme süperpozisyonunda sona erer.” Ancak Steinberg’in belirttiğine göre, bu aynı zamanda “ölçüm cihazının bazen ‘sıfır’ artı ‘pozitif bir şey’ gibi değil de ‘sıfır’ eksi ‘pozitif bir şey’ gibi görünen bir duruma düştüğü ve bu uyarım zamanı için yanlış işaret, negatif bir değer gibi görünen bir durumla sonuçlandığı” anlamına da gelmektedir.
Angulo ve meslektaşlarının deneyindeki ölçüm sonuçları, fotonların atomları uyardıklarında, atomların temel hallerinde kaldıklarından daha hızlı hareket ettiklerini göstermektedir. (Fotonlar herhangi bir bilgi iletmiyor, bu nedenle sonuç Einstein’ın özel görelilik teorisi tarafından belirlenen “hiçbir şey ışıktan daha hızlı gidemez” hız sınırıyla çelişmiyor).
Sinclair, “Negatif bir zaman gecikmesi paradoksal görünebilir, ancak bunun anlamı, atomların uyarılmış durumda ne kadar zaman geçirdiğini ölçmek için bir ‘kuantum’ saati inşa ederseniz, saat ibresi belirli koşullar altında ileri gitmek yerine geriye doğru hareket edecektir” diyor. Başka bir deyişle, fotonların atomlar tarafından emildiği zaman negatiftir.
Bu olgu şaşırtıcı olsa da, zaman anlayışımız üzerinde hiçbir etkisi yok – ancak kuantum dünyasının hala sürprizlerle dolu olduğunu bir kez daha gösteriyor.
“[Angulo] ve ekibin geri kalanı gerçekten etkileyici bir şey başardılar ve güzel bir ölçüm seti ürettiler. Elde ettikleri sonuçlar, soğurucu ortamlarda seyahat eden fotonların geçmişi hakkında ilginç sorular ortaya atıyor ve optikteki grup gecikmesinin fiziksel anlamının yeniden yorumlanmasını gerektiriyor” diyor Sinclair.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Zaman Geriye Doğru Hareket Edebilir mi? Bilim İnsanları Zihin Bükücü Bir Fenomeni Çözüyor
James Webb Teleskobu ile Evrenin Kuralları Değişiyor Mu? SN H0pe Ne Anlatıyor?
James Webb Teleskobu ile Evrenin Kuralları Değişiyor Mu? SN H0pe Ne Anlatıyor?