Físicos medem “tempo negativo” em laboratório

Em experimento envolvendo fótons e uma “nuvem” de átomos, algo estranho acontece, e o fóton chega do outro lado tão cedo que parece ter passado um tempo negativo dentro da nuvem, saindo, em média, antes mesmo de entrar. David Clode / Unsplash

Howard Wiseman, Griffith University

Como nos conta Homero, Odisseu empreendeu uma jornada épica, contra todas as adversidades, de Tróia até sua casa em Ítaca. Ele visitou muitas terras, mas passou a maior parte do tempo com a ninfa Calipso em sua ilha.

Podemos imaginar que sua esposa, Penélope, teria perguntado a ele sobre esse período específico. Odisseu poderia ter respondido: “Não foi nada. Na verdade, foi menos do que nada. Fiquei cinco anos negativos com Calipso. De que outra forma eu teria chegado em casa após apenas dez anos? Se você não acredita em mim, pergunte a ela”.

As partículas quânticas, ao que parece, são tão astutas quanto Odisseu, como demonstramos em um experimento publicado no periódico científico Physical Review Letters. Não só o tempo de chegada delas pode sugerir que permaneceram com outras partículas por um período de tempo negativo como, se perguntarmos a essas outras partículas, elas corroborarão a história.

Fótons permanecendo com átomos

Nosso experimento utilizou fótons – partículas quânticas de luz – e a jornada contra todas as probabilidades que eles devem empreender para atravessar diretamente uma nuvem de átomos de rubídio.

Esses átomos têm uma “ressonância” com os fótons, o que significa que a energia do fóton pode ser transferida temporariamente para os átomos como uma excitação atômica. Isso permite que o fóton “permaneça” na nuvem atômica por um tempo antes de ser liberado.

Para que essa ressonância seja eficaz, o fóton deve ter uma energia bem definida, correspondente à quantidade de energia necessária para colocar um átomo de rubídio em um estado excitado.

Mas, de acordo com uma forma do famoso princípio da incerteza de Heisenberg, se a energia do fóton é bem definida, então seu tempo deve ser incerto: o pulso de luz que o fóton ocupa deve ter uma longa duração. Isso significa que não podemos saber exatamente quando o fóton entra na nuvem, mas podemos saber em média quando ele entra.

Se um fóton como esse for disparado contra a nuvem, o resultado mais provável é que sua energia seja transferida para os átomos e, em seguida, reemitida como um fóton viajando em uma direção aleatória. Nesses casos, o fóton é espalhado e não consegue chegar ao seu destino.

Tempos de chegada do fóton

Mas se o fóton conseguir atravessar diretamente a nuvem, algo estranho acontece. Com base no tempo médio em que o fóton entra na nuvem, é possível calcular o tempo médio esperado para que ele chegue ao lado oposto da nuvem, supondo que ele viaje à velocidade da luz (como os fótons geralmente fazem).

O que se constata é que o fóton, na verdade, chega muito antes disso. De fato, ele chega tão cedo que parece ter passado um tempo negativo dentro da nuvem – saindo, em média, antes mesmo de entrar.

Esse efeito é conhecido há décadas e foi observado em um experimento de 1993. Mas os físicos, em sua maioria, decidiram não levar esse tempo negativo a sério.

Isso porque ele pode ser explicado dizendo-se que apenas a parte mais à frente do pulso de longa duração atravessa diretamente a nuvem atômica, enquanto o resto é espalhado. Isso faz com que um fóton bem-sucedido (não espalhado) chegue mais cedo do que ingenuamente seria esperado.

Questionando os átomos

Mas Aephraim Steinberg, um dos autores daquele artigo de 1993, não aceitou tão rapidamente essa desconsideração do tempo negativo como um artefato. Em seu laboratório na Universidade de Toronto, ele queria descobrir o que aconteceria se se “questionasse” os átomos de rubídio na nuvem para saber quanto tempo o fóton havia permanecido entre eles como uma excitação. Após uma experiência inicial com resultados inconclusivos, ele pediu a mim, como teórico quântico, uma ajuda para determinar o que esperar.

Quando falamos em interrogar os átomos, o que isso significa na prática é fazer continuamente medições nos átomos enquanto o fóton está passando pela nuvem, para verificar se a energia do fóton está naquele momento ali. Mas há uma sutileza aqui: medições na física quântica inevitavelmente perturbam o sistema que está sendo medido.

Se fizéssemos uma medição precisa para determinar se o fóton está presente nos átomos, a cada instante, impediríamos que os átomos interagissem com o fóton. É como se, simplesmente observando Calipso de perto, impedíssemos que ela colocasse as mãos em Odisseu (ou vice-versa). Esse é o conhecido efeito quântico de Zenão, que destruiria o próprio fenômeno que queremos estudar.

Nosso experimento

A solução é, em vez disso, fazer uma medição muito imprecisa (mas ainda assim calibrada com grande precisão). Esse é o preço a pagar para manter a perturbação insignificante. Especificamente, disparamos um feixe de laser fraco – não relacionado ao pulso de fóton único – através da nuvem de átomos e medimos pequenas mudanças na fase da luz do feixe para verificar se os átomos estavam excitados.

Qualquer execução isolada do experimento fornece apenas uma indicação muito aproximada de se o fóton permaneceu nos átomos, mas uma média de milhões de execuções resulta em um tempo de permanência preciso.

Surpreendentemente, o resultado dessa medição fraca do tempo de permanência, quando o fóton atravessa diretamente a nuvem, é exatamente igual ao tempo negativo sugerido pelo tempo médio de chegada dos fótons. Antes de nosso trabalho, ninguém suspeitava que esses dois tempos, medidos de maneiras totalmente diferentes, fossem iguais.

Fundamentalmente, o valor negativo do tempo de permanência medido de forma fraca não pode ser explicado imaginando-se que apenas a frente do pulso do fóton atravessa, ao contrário do tempo inferido a partir do tempo de chegada.

Então, o que tudo isso significa? Uma máquina do tempo está prestes a surgir?

Infelizmente, não. Nossa experiência é totalmente explicada pela física padrão. Mas ela mostra que o tempo de permanência negativo não é um artefato. Por mais paradoxal que possa parecer, ele tem um efeito diretamente mensurável na nuvem atômica que o fóton atravessa. E nos lembra que ainda há territórios a serem descobertos na odisseia que é a pesquisa na física quântica.

Howard Wiseman, Director, Centre for Quantum Dynamics, Griffith University

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.

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