Zaman Kuantum Dünyasında Geriye mi Akıyor?
Kuantum fizikçileri, fotonların bir madde bulutundan çıkmadan önce atomlarla etkileşimde “negatif” bir süre geçirdiğini gösteren tuhaf bir olguyu ortaya çıkardılar.
Homeros’un anlattığı gibi, Odysseus, imkansızlıklara rağmen, Truva’dan İthaka’daki evine destansı bir yolculuk yaptı. Birçok ülkeyi ziyaret etti, ancak çoğunlukla peri Calypso ile adasında kaldı.
Eşi Penelope’nin ona bu özel zaman hakkında soru sormuş olabileceğini hayal edebiliriz. Odysseus şöyle cevap verebilirdi: “Hiçbir şey değildi. Aslında, hiçbir şeyden daha azdı. Calypso ile eksi beş yıl kaldım. On yıl sonra eve nasıl varabilirdim ki? Bana inanmıyorsan, ona sor.”
Görünüşe göre, kuantum parçacıkları da Odysseus kadar kurnaz, bunu Physical Review Letters’da yayınlanan bir deneyde gösterdik. Varış zamanları, diğer parçacıklarla negatif bir süre boyunca birlikte kaldıklarını düşündürmekle kalmaz, aynı zamanda bu diğer parçacıklara sorulduğunda da bu hikayeyi doğrularlar.
Fotonlar Atom Bulutundan Nasıl Geçer?
Deneyimizde fotonları—ışığın kuantum parçacıklarını—ve rubidyum atomlarından oluşan bir buluttan düz bir şekilde geçmek için katlanmak zorunda oldukları imkansız yolculuğu kullandık.
Bu atomlar fotonlarla bir “rezonansa” sahiptir; yani fotonun enerjisi geçici olarak atomik uyarım olarak atomlara aktarılabilir. Bu, fotonun serbest bırakılmadan önce bir süre atom bulutunda “kalmasına” olanak tanır.
Bu rezonansın etkili olabilmesi için fotonun, bir rubidyum atomunu uyarılmış bir duruma getirmek için gereken enerji miktarıyla eşleşen, iyi tanımlanmış bir enerjiye sahip olması gerekir.
Ancak, Heisenberg’in ünlü belirsizlik ilkesinin bir biçimine göre, fotonun enerjisi iyi tanımlanmışsa, zamanlaması belirsiz olmalıdır: fotonun kapladığı ışık darbesinin uzun bir süresi olmalıdır. Bu, fotonun buluta tam olarak ne zaman girdiğini bilemeyeceğimiz, ancak ortalama olarak ne zaman girdiğini bilebileceğimiz anlamına gelir.
Bazı Fotonların Beklenenden Daha Erken Gelmesinin Nedenleri
Böyle bir foton buluta fırlatılırsa, en olası sonuç, enerjisinin atomlara aktarılması ve ardından rastgele bir yönde hareket eden bir foton olarak yeniden yayılmasıdır. Bu gibi durumlarda foton saçılır ve İthaka’ya ulaşamaz.
Ancak foton doğrudan geçmeyi başarırsa, garip bir şey olur. Fotonun buluta girdiği ortalama zamana dayanarak, ışık hızında hareket ettiğini varsayarak (fotonlar genellikle böyle hareket eder), bulutun uzak tarafına ulaşmasının beklenen ortalama süresini 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 buluttan çıkar.
Bu etki on yıllardır biliniyor ve 1993’te yapılan bir deneyde gözlemlenmişti. Ancak fizikçiler çoğunlukla bu negatif zamanı ciddiye almamaya karar vermişlerdi.
Bilim İnsanları Uzun Süredir Devam Eden Bir Kuantum Gizemini Yeniden İnceliyor
Bunun nedeni, uzun süreli darbenin sadece en ön kısmının atom bulutundan düz bir şekilde geçmesi, geri kalanının ise saçılmasıyla açıklanabilmesidir. Bu, başarılı (saçılmamış) bir fotonun, safça beklenenden daha erken ulaşmasına yol açar.
Ancak, 1993 tarihli makalenin yazarlarından biri olan Aephraim Steinberg, negatif zamanın bir yapaylık olarak reddedilmesini o kadar çabuk kabul etmedi. Toronto Üniversitesi’ndeki laboratuvarında, fotonun bir uyarım olarak aralarında ne kadar süre kaldığını öğrenmek için buluttaki rubidyum atomlarını sorgulamanın ne olacağını bulmak istedi. Sonuçsuz bir ilk deneyden sonra, bir kuantum teorisyeni olarak benden ne beklemem gerektiğini anlamamda yardım istedi.
Atomları sorgulamaktan bahsettiğimizde, bunun pratikte anlamı, foton buluttan geçerken atomlar üzerinde sürekli olarak ölçüm yaparak, fotonun enerjisinin şu anda orada olup olmadığını araştırmaktır. Ancak burada ince bir nokta var: kuantum fiziğinde ölçümler kaçınılmaz olarak ölçülen sistemi bozar.
Zayıf Ölçümler Negatif Kalma Süresini Ortaya Koyuyor
Eğer fotonun her an atomlarda kalıp kalmadığını hassas bir şekilde ölçseydik, atomların fotonla etkileşimini engellerdik. Bu, sadece Calypso’yu yakından izleyerek Odysseus’a ulaşmasını (veya tam tersini) engellemek gibi olurdu. Bu, incelemek istediğimiz olguyu yok edecek olan iyi bilinen kuantum Zeno etkisidir.
Çözüm, bunun yerine çok hassas olmayan (ancak yine de çok doğru kalibre edilmiş) bir ölçüm yapmaktır. Bu, bozulmayı ihmal edilebilir tutmanın bedelidir. Özellikle, tek foton darbesiyle ilgisi olmayan zayıf bir lazer ışınını atom bulutundan geçirdik ve atomların uyarılıp uyarılmadığını araştırmak için ışının ışığının fazındaki küçük değişiklikleri ölçtük.
Deneyin tek bir çalışması, fotonun atomlarda kalıp kalmadığına dair yalnızca çok kaba bir gösterge verir, ancak milyonlarca çalışmanın ortalaması doğru bir kalma süresi verir.
Şaşırtıcı bir şekilde, fotonun bulutun içinden doğrudan geçtiği bu zayıf bekleme süresi ölçümünün sonucu, fotonların ortalama varış zamanının önerdiği negatif süreye tam olarak eşittir. Çalışmamızdan önce, tamamen farklı şekillerde ölçülen bu iki sürenin eşit olacağından kimse şüphelenmiyordu.
Araştırma, Negatif Zamanın Gerçek Bir Kuantum Etkisi Olduğunu Gösteriyor
Önemli olan, zayıf bir şekilde ölçülen kalma süresinin negatif değerinin, varış zamanından çıkarılan zamandan farklı olarak, fotonun darbesinin yalnızca ön kısmının geçtiğini hayal ederek açıklanamaması.
Peki tüm bunlar ne anlama geliyor? Zaman makinesi hemen köşede mi?
Ne yazık ki hayır. Deneyimiz standart fizikle tamamen açıklanabilir.
Ancak negatif kalma süresinin bir yapaylık olmadığını gösteriyor. Ne kadar paradoksal görünse de, fotonun geçtiği atom bulutu üzerinde doğrudan ölçülebilir bir etkisi var. Ve bize kuantum araştırmasının serüveninde keşfedilecek daha çok yer olduğunu hatırlatıyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Negatif Zaman Gerçek mi? Kuantum Dünyasında Şaşırtıcı Deneyler