Physiker messen in bizarrem Quantenexperiment „negative Zeit

Wie sonst hätte ich nach nur zehn Jahren nach Hause kommen können? Wenn Sie mir nicht glauben, fragen Sie sie." Wie sich herausstellt, sind Quantenteilchen genau so schlau wie Odysseus, wie wir in einem Experiment gezeigt haben, das in Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Nicht nur kann ihre Ankunftszeit darauf hindeuten, dass sie eine negative Zeitspanne mit anderen Teilchen verbracht haben, sondern wenn man diese anderen Teilchen fragt, bestätigen sie die Geschichte.

Wie Photonen durch eine atomare Wolke reisen In unserem Experiment nutzten wir Photonen – Quantenteilchen des Lichts – und die gegen die Wahrscheinlichkeiten gerichtete Reise, die sie unternehmen müssen, um gerade durch eine Wolke aus Rubidiumatomen hindurchzudringen.

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Diese Atome weisen eine „Resonanz" mit den Photonen auf, was bedeutet, dass die Energie des Photons vorübergehend auf die Atome als atomare Anregung übertragen werden kann. Dadurch kann das Photon für eine gewisse Zeit in der atomaren Wolke „verweilen", bevor es wieder freigesetzt wird.

Damit diese Resonanz wirksam ist, muss das Photon eine wohldefinierte Energie besitzen, die der zur Erregung eines Rubidiumatoms benötigten Energiemenge entspricht.

Doch gemäß einer Form des berühmten Heisenbergschen Unschärfeprinzips gilt: Ist die Energie des Photons wohldefiniert, so muss seine zeitliche Lage unscharf sein: Der Lichtimpuls, den das Photon einnimmt, muss eine lange Dauer haben.

Das bedeutet, wir können nicht genau

Das bedeutet, wir können nicht genau wissen, wann das Photon in die Wolke eintritt, aber wir können den durchschnittlichen Eintrittszeitpunkt bestimmen.

Warum manche Photonen früher eintreffen, als erwartet Wenn ein Photon wie dieses in die Wolke geschossen wird, ist das wahrscheinlichste Ergebnis, dass seine Energie auf die Atome übertragen und dann als Photon in eine zufällige Richtung wieder emittiert wird. In solchen Fällen wird das Photon gestreut und erreicht sein Ziel in Ithaca nicht.

Doch wenn das Photon doch gerade hindurchdringt, geschieht etwas Seltsames.

Technik, Energie und Einsatz

Basierend auf dem durchschnittlichen Zeitpunkt, zu dem das Photon die Wolke betritt, lässt sich der erwartete durchschnittliche Ankunftszeitpunkt an der gegenüberliegenden Seite der Wolke berechnen, unter der Annahme, dass es mit Lichtgeschwindigkeit reist (wie Photonen es normalerweise tun).

Was man findet, ist, dass das Photon tatsächlich viel früher als erwartet ankommt. Tatsächlich kommt es so früh an, dass es scheint, eine negative Zeitspanne innerhalb der Wolke verbracht zu haben – im Durchschnitt verlässt es die Wolke sogar bevor es sie betritt.

Dieser Effekt ist seit Jahrzehnten bekannt und wurde in einem Experiment im Jahr 1993 beobachtet. Doch Physiker haben sich größtenteils entschieden, diese negative Zeit nicht ernsthaft zu betrachten. Wissenschaftler kehren zu einem langjährigen Quantenrätsel zurück.

Technik und Auswirkungen

Der Grund dafür liegt darin, dass das Phänomen erklärt werden kann, indem man annimmt, dass nur der sehr vordere Teil des lang andauernden Pulses ungehindert durch die Atomwolke hindurchdringt, während der Rest gestreut wird. Dies führt dazu, dass ein erfolgreiches (nicht gestreutes) Photon früher eintrifft, als naiv erwartet würde.

Aephraim Steinberg, einer der Autoren der oben genannten Arbeit aus dem Jahr 1993, nahm diese Ablehnung der negativen Zeit als Artefakt jedoch nicht so schnell hin.

In seinem Labor an der University of Toronto wollte er herausfinden, was passieren würde, wenn man die Rubidiumatome in der Wolke abfragt, um zu ermitteln, wie lange das Photon als Anregung unter ihnen verweilt hat.

Nach einem ersten Experiment mit unklaren

Nach einem ersten Experiment mit unklaren Ergebnissen bat er mich als Quantentheoretiker um Unterstützung bei der Berechnung der zu erwartenden Ergebnisse.

Wenn wir sprechen, bedeutet dies in der Praxis, während das Photon die Wolke durchquert, kontinuierlich Messungen an den Atomen durchzuführen, um zu prüfen, ob die Energie des Photons sich gerade dort aufhält. Es gibt jedoch eine Feinheit: Messungen in der Quantenphysik stören das gemessene System unweigerlich.

Schwache Messungen enthüllen negative Verweilzeiten. Würden wir eine präzise Messung durchführen, ob sich das Photon zu jedem Zeitpunkt in den Atomen aufhält, würden wir verhindern, dass die Atome mit dem Photon wechselwirken. Es ist, als würde allein durch das genaue Beobachten, dass sie an Odysseus herankommt (oder umgekehrt).

Markt und Strategie

Dies ist der bekannte Quanten-Zeno-Effekt, der das Phänomen zerstören würde, das wir untersuchen möchten. Die Lösung besteht darin, stattdessen eine sehr ungenaue (aber dennoch sehr genau kalibrierte) Messung durchzuführen. Das ist der Preis, den wir zahlen, um die Störung vernachlässigbar zu halten.

Insbesondere feuerten wir einen schwachen Laserstrahl  unabhngig vom einzelnen Photonenimpuls  durch die Wolke aus Atomen und maen geringfgige nderungen der Phase des Lichts des Strahls, um zu untersuchen, ob die Atome angeregt waren.

Jeder einzelne Durchlauf des Experiments liefert lediglich eine sehr grobe Andeutung darber, ob sich das Photon in den Atomen aufgehalten hat; die Auswertung hingegen eine genaue Verweilzeit.

Erstaunlicherweise entspricht das Ergebnis dieser schwachen

Erstaunlicherweise entspricht das Ergebnis dieser schwachen Messung der Verweilzeit, wenn das Photon die Wolke geradeaus passiert, exakt der negativen Zeit, die sich aus der durchschnittlichen Ankunftszeit der Photonen ergibt.

Vor unserer Arbeit war niemand der Ansicht, dass diese beiden Zeiten, die auf vllig unterschiedliche Weise gemessen werden, gleich sein knnten. Die Studie deutet darauf hin, dass eine negative Zeit ein reales Quanteneffekt ist.

Entscheidend ist, dass der negative Wert der schwach gemessenen Verweilzeit nicht durch die Vorstellung erklrt werden kann, dass nur der vordere Teil des Photonenimpulses durchdringt, im Gegensatz zur aus der Ankunftszeit abgeleiteten Zeit. Was bedeutet all dies also? Steht eine Zeitmaschine wirklich vor der Tür? Leider nein.

Unser Experiment lässt sich vollständig durch

Unser Experiment lässt sich vollständig durch die Standardphysik erklären. Es zeigt jedoch, dass negative Verweilzeiten kein Artefakt sind. Wie paradox es auch erscheinen mag, hat dieser Effekt eine direkt messbare Auswirkung auf den Atomwolke, die das Photon durchquert.

Und er erinnert uns daran, dass auf der Odyssee der Quantenforschung noch unerforschte Gebiete zu entdecken sind. Referenz: „Experimentelle Beobachtung negativer schwacher Werte für die Zeit, die Atome im angeregten Zustand verbringen, während ein Photon übertragen wird", Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon, Andy Jiao, Howard M. Wiseman und Aephraim M.

Steinberg, 13. April 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/gjfq-k9dv. Angepasst aus einem Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.