Il tempo può scorrere al contrario, ma solo per i fotoni

È possibile uscire da una stanza prima di entrarvi? Può sembrare un’idea folle, ma nel “tempo negativo” potrebbe essere possibile, almeno per i fotoni.

In uno studio pubblicato di recente, un gruppo di ricercatori dell’Università di Toronto sostiene di aver osservato i fotoni uscire da un materiale prima di entrarvi. È la prima volta che gli scienziati si imbattono in prove di tempo negativo.

“Un ritardo temporale negativo può sembrare paradossale, ma significa che se si costruisse un orologio ‘quantistico’ per misurare quanto tempo gli atomi trascorrono nello stato eccitato, la lancetta dell’orologio, in determinate circostanze, si sposterebbe all’indietro anziché in avanti”, ha dichiarato a Scientific American Josiah Sinclair, ricercatore postdoc del MIT che ha precedentemente collaborato con gli autori dello studio.

Individuare il ritardo temporale negativo

Negli ultimi sette anni, gli autori dello studio hanno studiato l’eccitazione atomica, un fenomeno che si verifica in seguito all’interazione tra luce e materia.

Durante l’eccitazione atomica, gli elettroni di un atomo assorbono energia dalla luce e saltano a un livello energetico superiore. Tuttavia, questo aumento di energia non è permanente e presto gli elettroni tornano ai loro livelli precedenti e rilasciano fotoni.

Questo processo provoca un ritardo, facendo sì che la luce impieghi più tempo a passare attraverso il materiale rispetto a quando non viene assorbita e riemessa dagli atomi.

Grafico che mostra il tempo negativo

Gli autori dello studio hanno condotto un esperimento per esaminare questo ritardo (detto anche ritardo di gruppo) nei fotoni. Hanno sparato fotoni in atomi di rubidio estremamente freddi e hanno studiato l’eccitazione atomica. L’esperimento ha portato a un’osservazione sorprendente.

I ricercatori hanno notato che alcuni fotoni passavano attraverso gli atomi più velocemente di quanto il processo di eccitazione atomica potesse completare. Il risultato è stato un tempo di transito negativo, che fa sembrare che i fotoni siano usciti dal materiale prima di esservi entrati.

“Sembra assurdo, lo so. Ci è voluta una quantità di tempo positiva, ma il nostro esperimento che osserva che i fotoni possono far sembrare che gli atomi trascorrano una quantità di tempo *negativa* nello stato eccitato è andato in porto!”. Aephraim Steinberg, uno degli autori dello studio e fisico quantistico dell’Università di Toronto, ha scritto su X.

Woo-hoo!

It took a positive amount of time,
but our experiment observing that photons can make atoms seem to spend a *negative* amount of time in the excited state is up!

It sounds crazy, I know, but check it out!
Kudos to Daniela +the rest of the team!https://t.co/rHrAUJq5rX pic.twitter.com/Lz7Lazb1Gs

— Aephraim Steinberg (@QuantumAephraim) September 6, 2024

Il tempo negativo influenza la fisica, ma non noi

Questo esperimento è stata un’impresa di fisica sperimentale, quel ramo della fisica che studia come svolgere gli esperimenti che confemano una teoria.  Per esempio, l’apparato in cui i fotoni hanno interagito con atomi di rubidio ultrafreddi ha richiesto tre anni di lavoro.

I risultati di questo esperimento “suggeriscono che i valori negativi assunti da tempi come il ritardo di gruppo hanno un significato fisico maggiore di quello generalmente apprezzato”, secondo i ricercatori.

Un punto importante da notare è che i fotoni dell’esperimento non trasportavano alcuna informazione sulla natura del tempo. I risultati di questo esperimento non contraddicono quindi la nostra comprensione del tempo e dei fotoni nell’ambito della teoria della relatività speciale.

Non influenzerà la nostra esperienza con il tempo e quindi il concetto di tempo continuerà a rimanere lo stesso per noi.

Tuttavia, poiché il ritardo temporale negativo esiste nel caso dei fotoni, è probabile che influisca su ulteriori ricerche volte a comprendere i dettagli del mondo quantistico. A questo punto è necessario approfondire se ci sono altri casi in cui il tempo assume valori negativi, e quindi si muove al contrario.