Os físicos mostraram que os fótons parecem sair de um material antes de entrar nele, revelando evidências observacionais de tempo negativo
Com informações de Live Science.
Físicos quânticos estão familiarizados com fenômenos estranhos e aparentemente sem sentido: átomos e moléculas às vezes agem como partículas, às vezes como ondas; partículas podem ser conectadas umas às outras por uma ” ação assustadora à distância”, mesmo em grandes distâncias; e objetos quânticos podem se separar de suas propriedades como o Gato de Cheshire de Alice no País das Maravilhas se separa de seu sorriso. Agora, pesquisadores liderados por Daniela Angulo da Universidade de Toronto revelaram outro resultado quântico excêntrico: fótons, partículas-onda de luz, podem passar uma quantidade negativa de tempo passando rapidamente por uma nuvem de átomos resfriados. Em outras palavras, os fótons podem parecer sair de um material antes de entrar nele.
“Demorou um tempo positivo, mas nosso experimento observando que os fótons podem fazer com que os átomos pareçam passar um tempo *negativo* no estado excitado!”, escreveu Aephraim Steinberg, físico da Universidade de Toronto, em uma publicação no X (antigo Twitter) sobre o novo estudo, que foi carregado no servidor de pré-impressão arXiv.org em 5 de setembro e ainda não foi revisado por pares.
A ideia para este trabalho surgiu em 2017. Na época, Steinberg e um colega de laboratório, o então aluno de doutorado Josiah Sinclair, estavam interessados na interação da luz e da matéria, especificamente um fenômeno chamado excitação atômica: quando os fótons passam por um meio e são absorvidos, os elétrons girando em torno dos átomos naquele meio saltam para níveis de energia mais altos. Quando esses elétrons excitados retornam ao seu estado original, eles liberam essa energia absorvida como fótons reemitidos, introduzindo um atraso de tempo no tempo de trânsito observado da luz através do meio.
A equipe de Sinclair queria medir esse atraso de tempo (que às vezes é tecnicamente chamado de “atraso de grupo”) e aprender se ele depende do destino daquele fóton: ele foi espalhado e absorvido dentro da nuvem atômica ou foi transmitido sem nenhuma interação? “Na época, não tínhamos certeza de qual era a resposta e sentimos que uma pergunta tão básica sobre algo tão fundamental deveria ser fácil de responder”, diz Sinclair. “Mas quanto mais pessoas falávamos, mais percebíamos que, embora todos tivessem sua própria intuição ou palpite, não havia consenso de especialistas sobre qual seria a resposta certa.” Como a natureza desses atrasos pode ser tão estranha e contraintuitiva, alguns pesquisadores descartaram o fenômeno como efetivamente sem sentido para descrever qualquer propriedade física associada à luz.
Após três anos de planejamento, sua equipe desenvolveu um aparelho para testar essa questão no laboratório. Seus experimentos envolveram disparar fótons através de uma nuvem de átomos de rubídio ultrafrios e medir o grau resultante de excitação atômica. Duas surpresas surgiram do experimento: às vezes, os fótons passavam ilesos, mas os átomos de rubídio ainda ficavam excitados — e pelo mesmo tempo que se tivessem absorvido esses fótons. Mais estranho ainda, quando os fótons eram absorvidos, eles pareciam ser reemitidos quase instantaneamente, bem antes de os átomos de rubídio retornarem ao seu estado fundamental — como se os fótons, em média, estivessem deixando os átomos mais rápido do que o esperado.
A equipe então colaborou com Howard Wiseman, um físico teórico e quântico da Griffith University na Austrália, para elaborar uma explicação. A estrutura teórica que surgiu mostrou que o tempo que esses fótons transmitidos passaram como uma excitação atômica combinou perfeitamente com o atraso de grupo esperado adquirido pela luz — mesmo para casos em que parecia que os fótons foram reemitidos antes que a excitação atômica tivesse diminuído.
Para entender a descoberta sem sentido, você pode pensar nos fótons como os objetos quânticos difusos que eles são, nos quais a absorção e reemissão de qualquer fóton dado através de uma excitação atômica não é garantida para ocorrer ao longo de um certo período fixo de tempo; em vez disso, ocorre ao longo de uma faixa probabilística e espalhada de valores temporais. Conforme demonstrado pelos experimentos da equipe, esses valores podem abranger instâncias quando o tempo de trânsito de um fóton individual é instantâneo — ou, bizarramente, quando ele conclui antes que a excitação atômica tenha cessado, o que dá um valor negativo.
“Posso prometer que ficamos completamente surpresos com essa previsão”, diz Sinclair, referindo-se ao confronto entre o atraso do grupo e o tempo que os fótons transmitidos passaram como excitações atômicas. “E assim que tivemos certeza de que não havíamos cometido um erro, Steinberg e o resto da equipe — eu tinha me mudado para fazer um pós-doutorado no [Instituto de Tecnologia de Massachusetts] a essa altura — começaram a planejar fazer um experimento de acompanhamento para testar essa previsão maluca de tempo de permanência negativo e ver se a teoria se sustentaria.”
Esse experimento de acompanhamento, aquele liderado por Angulo que Steinberg apregoou em X, pode ser compreendido considerando as duas maneiras pelas quais um fóton pode ser transmitido. Em uma, o fóton usa uma espécie de venda e ignora o átomo completamente, saindo sem nem mesmo acenar. Na outra, ele interage com o átomo, impulsionando-o para um nível de energia mais alto, antes de ser reemitido.
“Quando você vê um fóton transmitido, não pode saber qual destes ocorreu”, diz Steinberg, acrescentando que, como os fótons são partículas quânticas no reino quântico, os dois resultados podem estar em superposição — ambas as coisas podem acontecer ao mesmo tempo. “O dispositivo de medição acaba em uma superposição de medição de zero e medição de algum pequeno valor positivo.” Mas, correspondentemente, Steinberg observa, isso também significa que às vezes “o dispositivo de medição acaba em um estado que não parece ‘zero’ mais ‘algo positivo’, mas sim ‘zero’ menos ‘algo positivo’, resultando no que parece ser o sinal errado, um valor negativo, para este tempo de excitação.”
Os resultados da medição no experimento de Angulo e seus colegas sugerem que os fótons se moveram pelo meio mais rápido quando excitaram os átomos do que quando os átomos permaneceram em seu estado fundamental. (Os fótons não estão comunicando nenhuma informação, então o resultado não contradiz o limite de velocidade “nada pode viajar mais rápido que a luz” definido pela teoria especial da relatividade de Einstein).
“Um atraso de tempo negativo pode parecer paradoxal, mas o que significa é que se você construísse um relógio ‘quântico’ para medir quanto tempo os átomos estão gastando no estado excitado, o ponteiro do relógio, sob certas circunstâncias, se moveria para trás em vez de para frente”, diz Sinclair. Em outras palavras, o tempo em que os fótons foram absorvidos pelos átomos é negativo.
Embora o fenômeno seja surpreendente, ele não tem impacto em nossa compreensão do tempo em si — mas ilustra mais uma vez que o mundo quântico ainda tem surpresas reservadas.
“[Angulo] e o resto da equipe realizaram algo realmente impressionante e produziram um belo conjunto de medições. Seus resultados levantam questões interessantes sobre a história dos fótons viajando através de meios absortivos e necessitam de uma reinterpretação do significado físico do atraso de grupo na óptica”, diz Sinclair.
Este artigo foi publicado pela primeira vez na Scientific American. © ScientificAmerican.com.
