Ein von einem Team der University of Toronto in Kanada und der Griffith University in Australien durchgeführtes Experiment zeigte, dass Photonen, wenn sie einen atomaren „Verkehr“ aus kalten Rubidiumatomen passieren, tatsächlich „spät abreisen und früh ankommen“ können, was statistisch gesehen dem Erleben einer „negativen Zeit“ im atomaren Medium entspricht. Durch genaue Messungen fanden die Forscher heraus, dass diejenigen Photonen, die im Gesamtlichtpuls als erste am Detektor ankamen, eine „negative“ mittlere Verweilzeit hätten, wenn man sie auf ihren Aufenthalt in der Atomwolke zurückführen würde. Dieses Ergebnis unterstreicht die Seltsamkeit und Mehrdeutigkeit des Zeitkonzepts auf der Quantenskala weiter.
In der klassischen Intuition wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Informationen im Vakuum auf etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde festgelegt, was die sogenannte „Grenzgeschwindigkeit“ von Ursache und Wirkung darstellt; Photonen müssen als masselose Teilchen/Wellen auch im Vakuum diese Obergrenze strikt einhalten. Wenn ein Medium wie Atome in den Ausbreitungspfad eingeführt wird, werden die Photonen gestreut oder interagieren mit den Atomen, was dazu führt, dass der gesamte Impuls „verlangsamt“ erscheint. Dies wird jedoch normalerweise so verstanden, dass der Pfad gewunden ist und nicht als echter Durchbruch in der kausalen Geschwindigkeit. Instinktiv gehen die Menschen davon aus, dass ein Lichtimpuls, der ein atomares Medium durchquert, dem Verkehrsfluss während der Hauptverkehrszeit ähneln sollte: „Frühaufsteher“ kommen früh und „Nachzügler“ kommen spät. Die Gesamtform bewegt sich auf der Zeitachse einfach rückwärts.
Seit den 1990er Jahren berichten Experimentalphysiker jedoch immer wieder über ein kontraintuitives Phänomen: Vergleicht man einen Lichtimpuls, der sich im Vakuum bewegt, mit einem Lichtimpuls, der sich durch ein Medium bewegt, erreicht der „Peak“ des Impulses im Medium manchmal den Detektor früher als der Peak im Vakuum. Dies bedeutet nicht, dass ein Photon schneller läuft als im Vakuum, sondern dass die Gesamtform des Impulses im Medium „umgeformt“ wird, was dazu führt, dass sich der statistische „Peak“ nach vorne bewegt. Eine Erklärung ist, dass die Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen statistisch gesehen einen ähnlichen „Schatten“ wirft und die Verteilung des Ausgangsimpulses verändert, was dazu führt, dass die ursprünglich in der Mitte konzentrierten Photonen nach vorne verschoben werden, wodurch der Peak „nach vorne springt“.
Mit der neuesten Forschung hoffen die Wissenschaftler, die Störungen einer solchen „makroskopischen Umformung“ zu beseitigen und die Zeiteigenschaften von Photonen im Medium direkt auf einer mikroskopischeren Ebene zu bewerten. Zu diesem Zweck starrte das Team nicht einfach nur auf die Ein- und Ausgangswellenformen der Lichtimpulse, sondern „beobachtete“ die Wolke aus Rubidiumatomen bei extrem niedriger Temperatur. Durch die Messung der Dauer des angeregten Zustands nach der Anregung der Atome konnten sie indirekt darauf schließen, „wie lange“ die damit interagierenden Photonen im Medium verblieben. Diese Art der Messung ist äußerst empfindlich und erfordert eine große Anzahl wiederholter Experimente, um die Interferenzen des Umgebungsrauschens mit dem empfindlichen Quantenverhalten von Atomen auszugleichen und zuverlässige statistische Ergebnisse zu erhalten.
Die Analyse zeigt, dass aus statistischer Sicht diejenigen Photonen, die im Gesamtpuls „früh eintreffen“, durchaus den Messergebnissen entsprechen, die im atomaren Medium „negative Zeit“ erfahren haben. Dies bedeutet sicherlich nicht, dass sie tatsächlich in eine Art Wurmloch gefallen sind und aus der Zukunft „zurückgereist“ sind, noch dass irgendwelche Kausalgesetze gebrochen wurden; Die Physiker betonten, dass bei diesem Prozess die Raum-Zeit-Struktur nicht auseinandergerissen wurde und die kausale Reihenfolge konsistent blieb. Was wirklich „gedehnt“ wird, ist die physikalische Größe Zeit selbst auf der Quantenebene. Genau wie andere Quantenobservablen zeigt es die Eigenschaften von Fuzzy- und Wahrscheinlichkeitswolken auf feinen Skalen.
Der theoretische Rahmen dahinter ist immer noch untrennbar mit der Heisenbergschen Unschärferelation verbunden: Wenn man bestimmte physikalische Größen (z. B. Energie) mit extrem hoher Präzision misst, werden die gepaarten unsicheren Größen (z. B. Zeit) zwangsweise unschärfer. Während der Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen erscheinen die Energieniveaus beider Parteien in einem Zustand, der der „Resonanz“ ähnelt, genau wie ein Elternteil, der in einem engen Rhythmus eine Schaukel schwingt; In diesem Fall kann die Energie äußerst genau definiert werden, während die Zeitdimension gezwungen wird, sich zu entspannen, und die Messergebnisse in den Quantenfluktuationen „verschmiert“ werden, sodass statistisch abnormale Werte wie „negative Zeit“ auftreten können. Mit anderen Worten bedeutet die sogenannte „negative Zeit“ nicht, dass das Licht wirklich rückwärts geht, sondern dass die Zeit auf nichtklassischer Weise auf der Quantenebene in die Wahrscheinlichkeitsverteilung eintreten darf und so unter bestimmten Bedingungen Messwerte liefert, die über die tägliche Erfahrung hinausgehen.
Das Forscherteam wies darauf hin, dass, wenn in Zukunft in ähnlichen Experimenten bestätigt werden könne, ob diese „späten“ Photonen im Puls zufällig den entsprechenden „Zeitüberschuss“ „tragen“, die genaue Rolle der Quantenunsicherheit bei diesem Phänomen voraussichtlich weiter geklärt werden könne. Sobald solche Experimente perfektioniert sind, werden Wissenschaftler in der Lage sein, die Funktionsweise der Zeit in der Quantenwelt klarer zu beschreiben, und es wird erwartet, dass sie unser Verständnis grundlegender Themen wie der Quanteninformationsübertragung und der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie verbessern. Was für gewöhnliche Büroangestellte vielleicht mehr Anklang findet, ist die Tatsache, dass diese Forschung zumindest eine „Gehirn-Entschuldigung“ auf der physischen Ebene liefert: Wenn Sie eines Tages wieder zu spät kommen, wer möchte dann nicht zum Chef sagen: „Entschuldigung, ich habe unterwegs eine kleine Quantenunsicherheit erlebt“?