Robert Klatt
Ein Experiment der Quantenphysik hat belegt, dass Photonen sich für eine negative Zeitdauer in einer Atomwolke befinden können. Eine negative Laufzeit ist demnach eine physikalisch sinnvolle Größe.
Toronto (Kanada). In den letzten Jahren wurden unterschiedliche kuriose Phänomene der Quantenphysik entdeckt, darunter etwa ein Quantensystem aus einem Photon, indem die Zeit rückwärtslaufen kann. Nun haben Forscher der University of Toronto (UToronto) um Aephraim M. Steinberg experimentell belegt, dass Photonen sich für eine negative Zeitdauer in einer Atomwolke befinden können.
„Es klingt verrückt, ich weiß. Es dauerte eine positive Zeitspanne, aber wir haben beobachtet, dass Photonen Atome dazu bringen können, eine negative Zeit im angeregten Zustand zu verbringen!“
Laut der Publikation auf dem Preprint-Server arXiv haben die Physiker bereits 2017 die Idee für das Experiment gehabt. Steinberg hat in diesem Jahr die Wechselwirkung von Materie und Licht untersucht, die dazu führt, dass Atome kurzzeitig angeregt werden, wenn Licht durch ein Medium strahlt. Photonen werden dabei kurzzeitig absorbiert und später wieder ausgestrahlt.
Steinberg wollte noch einen Schritt weitergehen und untersuchen, wie einzelne Photonen sich durch eine Atomwolke bewegen. Die Konzeption des Experiments hat rund drei Jahre gedauert.
„Es hat unglaublich viel Spaß gemacht und war sehr aufregend, eine Messung zu entwickeln, mit der man eine so grundlegende Frage testen kann, die meines Wissens noch nie gestellt worden war.“
2020 haben die Physiker einzelne Photonen durch eine Wolke aus ultrakalten Rubidiumatomen geschossen und dabei beobachtet, dass die Lichtteilchen die Atomwolke ungehindert passieren konnten und dabei trotzdem Rubidiumatome angeregt haben. Die Rubidiumatome waren genauso lange angeregt, als ob sie Photonen komplett absorbiert hätten. Die Physiker haben zudem beobachtet, dass das Atom ein absorbiertes Photon unmittelbar emittiert hat, noch bevor es seinen Grundzustand wieder einnehmen konnte.
„Das war noch unerwarteter. Letztlich warf das Experiment mehr Fragen als Antworten auf.“
Die Physiker haben deshalb kürzlich ein weiteres Experiment durchgeführt, das exakt bestimmt hat, wie lange das Atom ein Photon absorbiert. Das Experiment bestätigt den zuvor nur mathematisch bestimmten Wert, laut dem die Dauer der Photonenabsorption exakt der Dauer entspricht, um die sich die Lichtteilchen bei ihrer Bewegung durch die Atomwolke verzögern.
Diese Verzögerung kann aber auch negativ sein, wenn sich die Photonen durch das Medium schneller bewegen. Dazu kommt es, wenn die Photonen Atome anregen und die Atome nicht im Grundzustand verbleiben. Die Zeitspanne, der Photonenabsorption ist in diesem Fall negativ. Es handelt sich dabei nicht um einen Widersprich zur speziellen Relativitätstheorie, weil die Lichtgeschwindigkeit in Medien in einem Vakuum.
