Физики впервые получили отрицательное время: как такое возможно

Квантовые физики не удивлены. Они знают, что свойство частицы может отделяться от самой частицы, хотя это непостижимо здравым смыслом.

Пифагора, изобретателя знаменитой формулы длины гипотенузы, часто видели в нескольких местах одновременно. Квантовые физики не удивлены. Они знают, что свойство частицы может отделяться от самой частицы, хотя это непостижимо здравым смыслом. Стул стоит себе у стола, а его свойство, «деревянный», по улице гуляет. Частицы могут чуять друг друга на любом расстоянии мгновенно, то есть быстрее скорости света, не нарушая законов физики. И вообще не проблема, если частица встречается сама с собой из другого времени: скажем, выходя утром на работу, вы столкнулись с собой, который вечером едет домой. Именно этот эффект наконец наблюдался экспериментально. Статья ждет рецензирования для публикации, но уже активно обсуждается.

ПАРАДОКСЫ СКОРОСТИ СВЕТА

Начнем с базы. Возможно, вы помните из школы, что скорость света не постоянна. 299 792 458 метров в секунду – это максимально возможная скорость света, в вакууме. В воздухе, в стекле, в воде, свет замедляется, и именно по этой причине мы что-либо видим глазами. Преломление, в том числе в хрусталике глаза, отражение от зеркала – все это возможно лишь потому, что свет взаимодействует с веществом.

Часто свет просто сталкивается с атомами, продираясь, например, через стекло, вязнет в «атомном лесу», и на этом теряет скорость. Интереснее, когда атомы поглощают фотон, а потом излучают его – такое происходит, например, в лампах дневного света. Еще в 2017 году физик Эфраим Стейнберг решили померить, а сколько времени атом «переваривает» поглощенный фотон прежде, чем переизлучить. Задача казалась тривиальной (сколько-то долей секунды, да и какая разница), и многого от опыта не ждали.

Но сразу вскрылись странные вещи. «Несмотря на то, что это базовые вещи, и, казалось, все уже изучено вдоль и поперек, результаты оказались столь необычными, что выглядели бессмысленными», говорит соавтор исследования Джозайя Синклер.

Обнаружились два эффекта. Атомы вещества возбуждались, как будто в них попал фотон – но на самом деле в них НЕ попадало никакого фотона. Еще более странным казалось, когда фотоны покидали атом почти мгновенно, а атом продолжал оставаться возбужденным, как будто фотон еще в нем. Казалось, у атомов и у фотонов – разное время, разные эпохи. Про это года два назад вышла статья в журнале Physical Review.

А может, просто ошибка опыта, и мы не так все понимаем?

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ

Атомы вещества по имени рубидий, очень сильно охлажденные. Для физиков – это как для школьников препарат лука на уроках биологии, любимый испытательный полигон. Эффекты, мало заметные в других веществах, тут – проявляются в полную силу. Так что очень холодные атомы рубидия и стали поглощающей средой, на которую пуляли одиночные фотоны.

Пока готовили опыт, к команде присоединился теоретик из университета Гриффита, Гарвард Уайзман, и с его помощью стало понятно, что, скорее всего, происходит. Отрицательное время! «Мы были удивлены этим предсказанием, и принялись с еще большим рвением планировать эксперимент, который обосновал бы столь безумные выводы», говорит Стейнберг.

Опыт блестяще подтвердил выкладки математика, о чем, собственно, и сообщает новая статья.

Так что же там такое?

ГДЕ КОНЧАЕТСЯ ФОТОН

Чтобы в этом разобраться, нужно отрешиться от представления о фотоне как о «шарике», как о чем-то монолитном и твердом, говорит физик и популяризатор науки Сабина Хоссенфельдер, комментируя результаты опытов (она в исследовании не участвовала).

В школьном учебнике фотон для простоты представляют или как «кругляшок», или как волну, в зависимости от того, какой раздел физики дети изучают. На деле фотон, если уж говорить о волнах – вовсе не отдельная волна, как на озере, а целый цуг, или объединение, волн. Которые в норме расположены тесно друг к другу, но в среде (например, в атомах рубидия) расщепляются.

Глаз (кошки и лягушки могут видеть одиночный фотон, см. Кстати) или прибор фиксируют фотон там, где находится максимум сгущения цуга волн. Но волны фотона идут впереди него, и остаются позади него. Они невидимы (принципиально невидимы, а не потому, что приборы слабые), но они есть.

Это немного напоминает волны от катера. Еще очень долго после того, как катера уже нет, купальщики бултыхаются вверх-вниз на волне (а жалко, что лето прошло, правда?). А перед катером – нечто вроде ударной волны. Теперь вообразите, что катер – это и есть фотон.

Прикол в том, что ударные волны и «пост-волны» движутся быстрее фотона, быстрее света, но – не нарушая законов физики. Ведь, в отличие от волн на воде, они не передают никакой информации. А теория относительности не запрещает делать что-либо быстрее света, только информацию передавать нельзя. А тут и нет информации.

Таким образом, фотон, приближаясь к атому, уже задевает его невидимой и непостижимой волной, и тот начинает реагировать, хотя никакого фотона еще нет. Это воздействие происходит мгновенно, быстрее света. Точно так же, покинув атом, фотон все еще ворошит его недра своей остаточной волной.

УРАВНЕНИЕ ТЕЛЕКИНЕЗА

Именно это явление называется «отрицательным временем» — что-то уже происходит в атоме, хотя фотон до него еще не долетел.

«Но это же жульничество», скажете вы, на самом деле до атома добралась некая ударная волна фотона, вот он и реагирует. Все правильно. Только этой, ударной волны, как бы не существует. Просто физики очень умные, и поняли, как это работает, и описали ее в уравнениях. Вот сеанс телекинеза (допустим, что без фокусов и обмана). Оператор двигает руками предметы на столе. Все ох да ах, а физик встает, и говорит, «я написал уравнение, и знаю, как вам это удается. Если вы немного сместите руки, вы перевернете стол, попробуйте». Чудо не перестало быть чудом. Но его уже можно описать.

Так идет ли время вспять на самом деле? Как бы и нет. Но, если вы соорудите квантовые часы, их стрелка будет время от времени шагать назад. А квантовый компьютер сможет рассчитать задание, которое еще не получал. То есть как бы и да!

Именно этот эффект имеют в виду физики, когда говорят, что в мире элементарных частиц время движется – неважно куда, и назад, и вперед. А в нашем мире, мире крупных объектов?

ПОЗНАКОМЬТЕСЬ С ЧЕРНОЙ ДЫРОЙ

Пространство-время всегда искажено и в «нашем мире». Ведь везде есть гравитация, которая задает темп времени. На вершине небоскреба, и тем более на МКС, время течет быстрее, потому что меньше притягивает Земля – и без учета этого эффекта спутниковый навигатор уводил бы вас метров на 200 в сторону. Атомные часы видят разницу, обычные, конечно, нет, она мала.

Возвращаясь с дачи в Москву, вы замедляете время, потому что тысячи домов создают свое гравитационное поле («так вот почему рабочая неделя тянется так медленно!» — конечно, не поэтому). Вооружившись гирей, вы качаетесь в зале – и гиря тоже замедляет ваше время (к слову, еще в XVIII веке Генри Кавендиш смог измерить гравитацию отдельно взятой гири).

Но, чтобы уж наверняка, надо к черной дыре. Концентрация массы в этих объектах такова, что гравитация в состоянии остановить время. Процесс красочно описан в прекрасной книге астрофизика Жанны Левин «Руководство по выживанию в черной дыре» («Black Hole Survival Guide»). Падая на черную дыру и поглядывая на часы, вы не заметите ничего странного (пока вас не разорвет градиентом, то есть резким перепадом, гравитационного поля, конечно же). Но со стороны будет казаться, что вы все делаете оооочень медленно. Оглянувшись, вы обнаружите, что те, кто на черную дыру решил не падать, напротив, суетятся и стремительно стареют. ВременнЫе пласты, в которых существуете вы около дыры и ваши друзья вне ее, больше не согласованы друг с другом, и проносятся друг мимо друга, как поезд мимо полустанка.

И вот горизонт событий. Для ваших товарищей вы будете бесконечно падать на него, и никогда не достигнете – правда, вы будете казаться им все более тусклым, и наконец окончательно померкнете. В вашей реальности вы спокойно пересечете горизонт, и внешний мир бесконечно ускорится, то есть превратится, видимо, в полоску света, так, что ничего не рассмотреть (это как если очень быстро крутить глобус, материков – морей не разглядишь). Наступит сингулярность, но мы ее пока понимаем плохо.

Совет: когда попадете в черную дыру, ищите выход. Где-то должен быть портал в белую дыру, из которого вас выбросит. Но, поскольку в нашей Вселенной почему-то нет белых дыр, выкинет, видимо, в другую.

Ближайшую черную дыру еще поискать, да и опыт не так чтобы безопасен. Но мысль, что каждый может немного попутешествовать во времени, просто прислонившись к большому зданию, или поднявшись на гору – согласитесь, завораживает.

КСТАТИ

Может ли человек видеть одиночный фотон

В принципе да. Чувствительности глаз достаточно. Но есть нюанс. Мозг блокирует импульсы менее 16 фотонов. И правильно делает. В теле глаза из-за разных причин возникают вспышки, импульсы, ложные сигналы. Без такой блокировки мы бы видели то, чего нет. Мозгу надо убедиться, что свет идет извне. Для этого он должен получить 16 или более фотонов. Получил, блокировка снялась, появляется световое ощущение.

У кошек все устроено намного совершеннее. В глазу кошки есть отражательная пленка. Фотон входит, отражается, и возбуждает глазной нерв дважды, собой и своим отражением. Мозг пропускает только те сигналы, которые дают два импульса подряд. Так и блокируется «шум», и фиксируется каждый, без исключения, фотон.

Одиночные фотоны видят и лягушки. Их мир удивителен. Если лягушка или кошка будут отдаляться от свечи, свеча не будет меркнуть, но начнет как бы моргать (когда свет от нее станет так слаб, что между фотонами окажется заметный промежуток). Вспышки будут становятся все реже, но каждая – такая же яркая, как была (ведь фотон не ослаб из-за того, что проделал больший путь).