Esperimento di fisica trova indizi di un tempo “negativo”

Roma – In un esperimento quantistico un gruppo di fotoni sono sembrati uscire da un materiale prima di entrarvi, una possibile prova osservativa di un “tempo negativo”. I risultati sono stati riportati da Scientific American e Spektrum der Wissenschaft . I ricercatori dietro l’esperimento sono stati guidati da Daniela Angulo dell’Università di Toronto. “Ci è voluto un sacco di tempo , ma il nostro esperimento che ha osservato che i fotoni possono far sembrare che gli atomi trascorrano un tempo *negativo* nello stato eccitato è terminato!” ha scritto Aephraim Steinberg, un fisico dell’Università di Toronto, in un post su X (ex Twitter) sul nuovo studio , che è stato caricato sul server di preprint arXiv.org il 5 settembre e non è ancora stato sottoposto a revisione paritaria. L’idea per questo lavoro è emersa nel 2017. All’epoca, Steinberg e un collega di laboratorio, allora studente di dottorato Josiah Sinclair, erano interessati all’interazione tra luce e materia, in particolare a un fenomeno chiamato eccitazione atomica : quando i fotoni attraversano un mezzo e vengono assorbiti, gli elettroni che ruotano attorno agli atomi in quel mezzo saltano a livelli di energia più elevati. Quando questi elettroni eccitati tornano al loro stato originale, rilasciano quell’energia assorbita come fotoni riemessi, introducendo un ritardo temporale nel tempo di transito osservato della luce attraverso il mezzo. Il team di Sinclair voleva misurare quel ritardo temporale (che a volte tecnicamente è chiamato “ritardo di gruppo”) e scoprire se dipende dal destino di quel fotone: è stato disperso e assorbito all’interno della nube atomica o è stato trasmesso senza alcuna interazione? “All’epoca, non eravamo sicuri di quale fosse la risposta e pensavamo che a una domanda così elementare su qualcosa di così fondamentale dovesse essere facile rispondere”, afferma Sinclair. “Ma con più persone parlavamo, più ci rendevamo conto che, sebbene ognuno avesse la propria intuizione o ipotesi, non c’era un consenso di esperti su quale sarebbe stata la risposta giusta”. Poiché la natura di questi ritardi può essere così strana e controintuitiva, alcuni ricercatori avevano liquidato il fenomeno come effettivamente privo di significato per descrivere qualsiasi proprietà fisica associata alla luce. Dopo tre anni di pianificazione, il suo team ha sviluppato un apparato per testare questa questione in laboratorio. I loro esperimenti prevedevano di sparare fotoni attraverso una nuvola di atomi di rubidio ultrafreddi e misurare il grado di eccitazione atomica risultante. Dall’esperimento sono emerse due sorprese : a volte i fotoni passavano indenni, ma gli atomi di rubidio si eccitavano comunque, e per lo stesso tempo, come se avessero assorbito quei fotoni. Ancora più strano, quando i fotoni venivano assorbiti, sembravano essere riemessi quasi istantaneamente, ben prima che gli atomi di rubidio tornassero al loro stato fondamentale, come se i fotoni, in media, abbandonassero gli atomi più velocemente del previsto. Il team ha poi collaborato con Howard Wiseman, un fisico teorico e quantistico della Griffith University in Australia, per elaborare una spiegazione. Il quadro teorico emerso ha mostrato che il tempo trascorso da questi fotoni trasmessi come eccitazione atomica corrispondeva perfettamente al ritardo di gruppo previsto acquisito dalla luce, anche per i casi in cui sembrava che i fotoni fossero riemessi prima che l’eccitazione atomica si fosse esaurita. “Posso promettervi che siamo rimasti completamente sorpresi da questa previsione”, dice Sinclair, riferendosi al confronto tra il ritardo di gruppo e il tempo che i fotoni trasmessi hanno trascorso come eccitazioni atomiche. “E non appena siamo stati sicuri di non aver commesso un errore, Steinberg e il resto del team (io ero passato a fare un postdoc al [Massachusetts Institute of Technology] a quel punto) hanno iniziato a pianificare di fare un esperimento di follow-up per testare questa folle previsione di tempo di permanenza negativo e vedere se la teoria avrebbe retto”. Quell’esperimento di follow-up, quello condotto da Angulo che Steinberg ha pubblicizzato su X, può essere compreso considerando i due modi in cui un fotone può essere trasmesso. In uno, il fotone indossa una specie di paraocchi e ignora completamente l’atomo, lasciandolo senza nemmeno un cenno. Nell’altro, interagisce con l’atomo, spingendolo a un livello di energia più alto, prima di essere riemesso. “Quando vedi un fotone trasmesso, non puoi sapere quale di questi stati si è verificato”, afferma Steinberg, aggiungendo che poiché i fotoni sono particelle quantistiche nel regno quantistico, i due risultati possono essere in sovrapposizione : entrambe le cose possono accadere contemporaneamente. “Il dispositivo di misurazione finisce in una sovrapposizione di misurazione dello zero e misurazione di un piccolo valore positivo”. Ma di conseguenza, nota Steinberg, ciò significa anche che a volte “il dispositivo di misurazione finisce in uno stato che non sembra ‘zero’ più ‘qualcosa di positivo’ ma come ‘zero’ meno ‘qualcosa di positivo’, risultando in quello che sembra il segno sbagliato, un valore negativo, per questo tempo di eccitazione”. I risultati delle misurazioni nell’esperimento di Angulo e dei suoi colleghi suggeriscono che i fotoni si muovevano attraverso il mezzo più velocemente quando eccitavano gli atomi rispetto a quando gli atomi rimanevano nel loro stato fondamentale. “Un ritardo temporale negativo può sembrare paradossale, ma ciò che significa è che se si costruisse un orologio ‘quantico’ per misurare quanto tempo gli atomi trascorrono nello stato eccitato, la lancetta dell’orologio, in determinate circostanze, si sposterebbe all’indietro anziché in avanti”, afferma Sinclair. In altre parole, il tempo in cui i fotoni sono stati assorbiti dagli atomi è negativo. Anche se il fenomeno è sorprendente, non ha alcun impatto sulla nostra comprensione del tempo in sé, ma dimostra ancora una volta che il mondo quantistico riserva ancora delle sorprese. (30Science.com)