I fisici confermano che il "tempo negativo" è reale chiedendolo agli atomi stessi / Physicists confirm 'negative time' is real by asking the atoms themselves

 I fisici confermano che il "tempo negativo" è reale chiedendolo agli atomi stessi / Physicists confirm 'negative time' is real by asking the atoms themselves

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Illustrazione dell'assorbimento della luce da parte di un atomo. Nuovi esperimenti confermano che alcuni fotoni possono trascorrere un tempo negativo all'interno di una nube di atomi, raggiungendo la loro destinazione prima ancora di entrare tecnicamente nella nube. / An illustration of light being absorbed by an atom. New experiments confirm that some photons can spend a negative amount of time within a cloud of atoms, reaching their destination before they technically enter the cloud.

Un nuovo esperimento conferma che i fotoni che attraversano una nube di atomi possono trascorrervi un tempo negativo, e sono gli atomi stessi a dirlo.

Quando un raggio di luce attraversa una nube di atomi, i fotoni (particelle di luce) a volte sembrano trascorrere un tempo negativo al suo interno, con la luce che appare uscire dalla nube prima ancora di entrarvi. Ora, i fisici hanno confermato questa anomalia quantistica chiedendo direttamente agli atomi.

"Questo non significa che siamo sul punto di costruire una macchina del tempo o qualcosa del genere", ha dichiarato a Live Science Howard Wiseman, fisico teorico quantistico presso la Griffith University in Australia e coautore dello studio. "Tutto può essere compreso con la fisica standard, ma è solo un'altra strana proprietà della fisica quantistica che nessuno aveva sospettato."

I fotoni che attraversano una nube atomica possono essere temporaneamente assorbiti. Scompaiono come particelle di luce e riappaiono come eccitazioni atomiche – una sorta di energia immagazzinata – prima di essere riemessi. Alcuni fotoni, chiamati fotoni trasmessi, riescono ad attraversare la nube approssimativamente nella stessa direzione da cui sono entrati, mentre altri si disperdono in direzioni casuali.

Esperimenti risalenti al 1993 avevano già suggerito che i fotoni trasmessi tendono ad arrivare ad un rivelatore prima ancora che il centro del loro impulso entri nella nube. Ciò implica un tempo di transito negativo.

C'era però un problema con questa configurazione: i fotoni all'inizio di un impulso potrebbero avere maggiori probabilità di passare rispetto a quelli alla fine. Se si considerano solo quelli trasmessi, ovviamente, sembrano essere quelli iniziali. Ma questo lasciava aperta la possibilità di una spiegazione più semplice.

"La gente si stava convincendo che in realtà la cosa non fosse così folle come sembrava", ha detto Wiseman a Live Science.

Confermando la follia

In un nuovo articolo pubblicato il 13 aprile sulla rivista Physical Review Letters, i fisici hanno adottato un approccio diverso. Invece di osservare l'arrivo di un fotone su un rivelatore, hanno monitorato se gli atomi si trovavano in uno stato eccitato durante il passaggio del fotone.

Quando un fotone viene assorbito da un atomo, viene immagazzinato come energia, causando l'ingresso dell'atomo in quello che i fisici chiamano uno stato eccitato. L'atomo rimane in questo stato eccitato finché non riemette il fotone. Pertanto, misurare la durata dello stato eccitato dell'atomo rivela per quanto tempo il fotone è stato assorbito dall'atomo.

Il gruppo ha misurato questo fenomeno utilizzando un secondo fascio di luce, che ha rilevato un minuscolo sfasamento a seconda dei livelli di eccitazione degli atomi. Il fascio di luce ha agito come una lettura in tempo reale di ciò che gli atomi stavano sperimentando istante per istante.

Questa lettura atomica ha confermato la follia quantistica degli esperimenti precedenti.

"Otterresti la stessa risposta se chiedessi agli atomi: 'Per quanto tempo il fotone è rimasto con te?'", ha detto Wiseman. "Anche loro ti daranno una risposta, che sarà un tempo negativo."

Un traguardo di un milione di test

Ottenere quella risposta non è stato facile, perché la misurazione dei sistemi quantistici li perturba. In questo caso, potenzialmente impedisce del tutto l'assorbimento del fotone. Quindi il gruppo ha utilizzato "misurazioni deboli", che sono delicate ma estremamente rumorose. Ogni singola esecuzione dell'esperimento era sommersa dal rumore: fluttuazioni casuali che rendevano impossibile distinguere il segnale dal rumore statico in una singola misurazione. Solo dopo aver calcolato la media di circa un milione di misurazioni è emerso un segnale chiaro. Attraverso circa sette set di parametri sperimentali, la raccolta dati totale è durata circa 70 ore.

"Anche in un fenomeno apparentemente semplice come l'interazione di un fotone con gli atomi, i calcoli venivano già effettuati quasi 100 anni fa", ha affermato Wiseman. "Il solo fatto che possa ancora riservare sorprese dopo tutto questo tempo è interessante."

Il prossimo obiettivo del gruppo sono i fotoni che non riescono ad attraversare la nuvola. La teoria prevede che questi fotoni diffusi trasportino un tempo di eccitazione positivo aggiuntivo. Questo è sufficiente a bilanciare il tempo negativo di quelli trasmessi, mantenendo la media complessiva del fascio di luce pari o superiore a zero. Questa previsione non è mai stata verificata.

ENGLISH

A new experiment confirms that photons passing through a cloud of atoms can spend a negative amount of time there, and the atoms themselves are the ones saying so.

When a beam of light passes through a cloud of atoms, photons (particles of light) sometimes appear to spend a negative amount of time there, with light seeming to exit the cloud before it even enters. Now, physicists have confirmed this quantum quirk by asking the atoms themselves.

"This doesn't mean that we're on the verge of building a time machine or anything like that," study co-author Howard Wiseman, a theoretical quantum physicist at Griffith University in Australia, told Live Science. "It can all be understood with standard physics, but it's yet one more weird property of quantum physics that people hadn't suspected."

Photons that pass through an atomic cloud can be temporarily absorbed. They vanish as particles of light and reappear as atomic excitations — a kind of stored energy — before being reemitted. Some photons, called transmitted photons, make it through in roughly the same direction they entered Others scatter off in random directions.

Experiments dating back to 1993 had already hinted that transmitted photons tend to arrive at a detector before the center of their own pulse even enters the cloud. That implies a negative transit time.

But there was a problem with this setup: Photons at the front of a pulse may be more likely to make it through than photons at the back. If you look only at the ones that are transmitted, of course, they look early. But this left a door open for a simpler explanation.

"People were convincing themselves that this is not actually as crazy as it sounds," Wiseman told Live Science.

Confirming the crazy

In a new paper published April 13 in the journal Physical Review Letters, physicists tried a different approach. Rather than watching when a photon arrived at a detector, they monitored whether the atoms were in an excited state while the photon was passing through.

When a photon is absorbed by an atom, it is stored as energy, causing the atom to enter what physicists call an excited state. The atom remains in this excited state until it reemits the photon. Therefore, measuring the duration of the atom's excited state reveals how long the photon was absorbed by the atom.

The team measured this using a second beam of light, which picked up a tiny phase shift depending on the atoms' excitation levels. The light beam acted as a live readout of what the atoms were experiencing from moment to moment.

This atomic readout confirmed the quantum craziness of the earlier experiments.

"You get the same answer if you ask the atoms, 'How long was the photon staying with you?'” Wiseman said. "They will also tell you an answer, which is a negative time."

A million-test milestone

Getting that answer wasn't easy, because measuring quantum systems disturbs them. In this case, it potentially prevents the photon from being absorbed at all. So the team used "weak measurements," which are gentle but extremely noisy. Any single run of the experiment was swamped by noise — random fluctuations that made it impossible to tell signal from static in any individual measurement. Only after averaging roughly 1 million runs did a clear signal emerge. Across roughly seven sets of experimental parameters, the total data collection ran to approximately 70 hours.

"Even in this really simple thing — a photon interacting with atoms — people were already doing calculations on that almost 100 years ago," Wiseman said. "Just the fact that it can still show surprises after all this time is interesting."

The team's next target is the photons that don't make it through the cloud. Theory predicts that those scattered photons carry extra positive excitation time. That is enough to balance the negative time of the transmitted ones, keeping the overall average for the beam of light at zero or above. That prediction has never been tested.

Da:

https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/physicists-confirm-negative-time-is-real-by-asking-the-atoms-themselves?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=368B3745-DDE0-4A69-A2E8-62503D85375D&utm_medium=email&utm_content=9509E6B4-0DD5-4D00-9C42-4808DBB65D11&utm_source=SmartBrief