Historien om Odyssevs handler om en tilsynelatende umulig reise: Han skulle komme seg hjem fra Troja til Ithaka, og underveis ble han holdt tilbake av nymfen Kalypso på øya hennes. I en moderne og mer absurd versjon kunne han ha forklart det slik:
– Det var ingenting. Det var faktisk mindre enn ingenting. Jeg var hos Kalypso i minus fem år. Hvordan ellers kunne jeg komme hjem etter bare ti?
Det høres ut som en spøk, men i kvantefysikken finnes fenomener som minner om nettopp dette. Nye laboratoriemålinger tyder på at partikler kan opptre som om de tilbringer en negativ tid i et område, og at målinger gjort på systemet de passerer gjennom kan støtte den samme konklusjonen.
Fotons reise gjennom en sky av rubidium
I forsøket ble det brukt fotoner, altså lyspartikler, som ble sendt gjennom en sky av rubidiumatomer. Utfordringen er at fotonene i utgangspunktet har stor sannsynlighet for ikke å komme rett gjennom: De kan i stedet bli absorbert og sendt ut igjen i en tilfeldig retning, slik at de i praksis blir spredt og ikke når fram.
Rubidiumatomene kan nemlig komme i resonans med fotonene. Det betyr at fotonets energi midlertidig kan overføres til atomene som en atomær eksitasjon, før energien frigjøres igjen som lys. På den måten kan fotonet, i en viss forstand, «oppholde seg» i skyen før det fortsetter.
For at denne resonansen skal være effektiv, må fotonet ha en godt definert energi. Men en konsekvens av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp er at jo mer presist energien er definert, desto mer usikker blir tidspunktet: Lyspulsen må være langvarig. Dermed kan man ikke vite nøyaktig når fotonet går inn i skyen, bare når det i gjennomsnitt gjør det.
Fotonet kommer fram før det «burde»
Når fotonet likevel klarer å passere rett gjennom skyen uten å bli spredt, oppstår det merkelige. Basert på det gjennomsnittlige inn-tidspunktet kan man regne ut når det burde komme ut på den andre siden, dersom det beveger seg med lysets hastighet gjennom skyen.
Men målingene viser at fotonet i snitt kommer fram tidligere enn denne forventningen. Det kan se ut som om fotonet har tilbrakt en negativ tid inne i skyen, altså at det i gjennomsnitt «forlater» skyen før det «ankommer» den.
Effekten har vært kjent i flere tiår og ble observert allerede på 1990-tallet. Likevel har mange fysikere vært tilbakeholdne med å tolke dette som reell «negativ tid».
Den vanlige forklaringen – og hvorfor den ikke er hele bildet
En utbredt forklaring har vært at bare den aller tidligste delen av den lange lyspulsen slipper gjennom, mens resten spres. Da vil den delen som faktisk kommer fram, se ut til å ankomme uvanlig tidlig, uten at det nødvendigvis betyr at fotonet har «tilbrakt negativ tid» i skyen.
Men en av forskerne som var involvert i de tidlige observasjonene, ønsket å teste noe mer direkte: Hva om man spør atomene i rubidiumskyen hvor lenge fotonets energi faktisk oppholdt seg der, som en eksitasjon?
Slik «spør» man atomene uten å ødelegge forsøket
Å undersøke dette innebærer å gjøre målinger mens fotonet passerer. I kvantefysikken er det imidlertid et problem: Målinger påvirker systemet. Dersom man måler for presist, kan man i praksis hindre samspillet mellom fotonet og atomene.
Dette ligner det som kalles kvante-Zeno-effekten: Ved å «se» for nøye, kan man stoppe utviklingen man prøver å observere.
Løsningen er å måle svakt og upresist i hvert enkelt forsøk, men med svært god kalibrering. I praksis ble en svak laserstråle, uavhengig av fotonpulsen, sendt gjennom atomskyen. Små endringer i fasen til laserlyset ble brukt til å indikere om atomene var i en eksitert tilstand.
En enkelt gjennomkjøring gir bare et grovt signal. Men ved å gjenta forsøket svært mange ganger og ta gjennomsnittet, kan man beregne en presis «oppholdstid».
Målingen ga en negativ oppholdstid
Det oppsiktsvekkende var at den svakt målte oppholdstiden, når fotonet faktisk gikk rett gjennom skyen, ble negativ og stemte nøyaktig med den negative tiden man indirekte kan utlede fra fotonets ankomsttid.
Før disse resultatene var det ikke forventet at to så forskjellige målemetoder skulle gi samme verdi. Og det avgjørende poenget er at denne negative oppholdstiden ikke kan forklares med den enkle historien om at bare «fronten» av pulsen slipper gjennom. Den forklaringen kan brukes for ankomsttiden, men ikke for den svake målingen av hva som skjer inne i skyen.
Betyr dette at tidsmaskiner er mulige?
Resultatene innebærer ikke at tidsmaskiner er rett rundt hjørnet. Forsøket kan forklares innenfor standard fysikk, uten at man trenger å bryte kjente lover.
Likevel peker funnene på noe viktig: Den negative oppholdstiden ser ikke ut til å være et rent måleartefakt eller en illusjon som forsvinner når man undersøker systemet grundigere. Den har en målbar effekt på atomskyen fotonet passerer gjennom, selv om den strider mot intuisjonen om hvordan tid «skal» oppføre seg.
På den måten minner kvantefysikken om en odyssé med uventede omveier: Selv i tilsynelatende velkjente farvann finnes det fortsatt fenomener som kan overraske.
