Lichtdeeltjes kunnen een ‘negatieve tijdsduur’ doorbrengen in een wolk van extreem koude atomen, zonder de wetten van de fysica te breken. Dat volgt uit een experiment met twee laserstralen.
Dankzij quantumeffecten kan een lichtdeeltje een wolk van atomen verlaten nog voordat het erin gaat. Dat leidt niet tot paradoxen, stellen de natuurkundigen die dit experiment uitvoerden.
Wanneer licht een materiaal in gaat, verandert zijn snelheid. Dat komt doordat de lichtdeeltjes, zogeheten fotonen, interacties aangaan met de atomen die ze in het materiaal tegenkomen. De atomen absorberen de fotonen en laten ze vervolgens weer los. Dat verlengt de reistijd van het licht.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Nu blijkt dat een foton in sommige gevallen juist bijzonder snel een materiaal kan verlaten. Zo snel zelfs, dat het een negatieve hoeveelheid tijd besteedt aan de interacties met het materiaal waar het doorheen reist.
Twee laserstralen
Natuurkundige Daniela Angulo en haar collega’s van de Universiteit van Toronto in Canada stuurden een foton door een wolk van tienduizenden rubidiumatomen, die een temperatuur hadden nabij het absolute nulpunt. Zulke ultrakoude atomen zijn gevoelig voor quantumeffecten, en hun quantumeigenschappen kunnen nauwkeurig worden bepaald met lasers en magneetvelden.
De onderzoekers stuurden twee laserstralen door de atomen. Beide stralen waren gericht op een detector. Eén laserstraal bevatte fotonen die een interactie aanging met de atomen, waarbij ze na absorptie weer vrijkwamen. De andere laserstraal ging deze interacties niet aan, maar kon meten welke veranderingen in de quantumtoestanden optraden wanneer een atoom in de wolk een foton van de eerste laserstraal absorbeerde. Hierdoor konden de onderzoekers bepalen of een atoom van quantumtoestand veranderde terwijl het licht in de wolk zat, en hoe lang deze verandering duurde.
Tot hun verrassing ontdekten de onderzoekers dat onder bepaalde omstandigheden – de juiste lichtfrequentie en de juiste quantumtoestanden van de atomen – deze tijdsduur negatief was.
Enkel meetpunt
Nadat ze dat eenmaal gemeten hadden, besteedden de natuurkundigen bijna twee jaar aan het perfectioneren van hun opstelling. Vervolgens deden ze wekenlang non-stop metingen om meer van deze gevallen te vinden, zegt Angulo.
Fotonen houden zich aan quantumregels. Daardoor kunnen waarnemers maar een bepaalde hoeveelheid informatie over hun eigenschappen verzamelen voordat hun gedrag verandert. Het team koos ervoor om alleen zeer zwakke metingen te doen terwijl de fotonen zich in de atoomwolk bevonden. Deze metingen vonden wel herhaaldelijk plaats, tot wel vijftien uur lang, om een enkel meetpunt samen te stellen, zegt ze.
Geen wetten gebroken
Quantumexpert Aephraim Steinberg, die aan het experiment meewerkte, zegt dat hoewel het idee van negatieve tijd paradoxaal lijkt, het geen natuurwetten over causaliteit breekt, omdat de fotonen zelf geen informatie overbrengen. Het experiment draagt gewoon bij aan ons begrip van alle manieren waarop licht en materie met elkaar kunnen interageren in de quantumwereld, zegt hij.
‘Deze experimenten onderzoeken wat tot nu toe vooral een theoretische curiositeit was’, zegt natuurkundige Peter Milonni van de Universiteit van Rochester in New York. ‘Dit is een belangrijke bijdrage aan een onderdeel van de natuurkunde dat blijft fascineren.’
Hij stelt dat het mogelijk is om de vreemde negatieve tijdsduur te interpreteren als een gevolg van de inherente vaagheid van de quantummechanica. Die stelt dat een foton gelijktijdig op verschillende manieren door een atoomwolk kan reizen. Daartoe behoort ook de mogelijkheid dat het foton helemaal geen tijd – of zelfs een negatieve tijdsduur – besteedt tussen de atomen. Als alle mogelijkheden precies goed op hun plek vallen, komt soms een van deze contra-intuïtieve resultaten opborrelen.
Natuurkundige Andrew Jordan van de Chapman-universiteit in de Verenigde Staten vindt het experiment fantastisch, maar waarschuwt om geen overhaaste conclusies te trekken. ‘Om met de woorden van Einstein te spreken: tijd is wat gemeten wordt door een klok’, zegt hij. In dit experiment wordt de tijd die een foton doorbrengt in een atomenwolk niet zo direct gemeten. Hij zegt dat toekomstige experimenten directere metingen zullen moeten proberen.
