Отрицательное время: что на самом деле открыли физики и почему это не путешествие в прошлое

Учёные из Канады провели эксперимент, в котором свет (фотоны) проходил через облако очень холодных атомов рубидия. Они измерили, сколько времени фотон «возбуждает» атом, — и получили странный результат. В среднем это время оказалось отрицательным, то есть меньше нуля. Впрочем, это не значит, что фотон попал в прошлое. Просто в квантовом мире время ведёт себя не так, как в обычной жизни.

Что такое отрицательное время

Мы привыкли думать, что время всегда течёт в одном направлении — из прошлого в будущее. Само понятие «отрицательное время» кажется бессмысленным. В описываемом эксперименте учёные измеряли время, которое фотон проводит внутри атома, передавая ему свою энергию. Представьте, что вы бросаете мячик в толпу людей. Мячик попадает в какого-то человека, тот на мгновение подпрыгивает (возбуждается), а мячик отскакивает от него и летит дальше.

В нашем мире это «мгновение возбуждения» всегда положительное — человек не может подпрыгнуть до того, как мячик в него попал. Но в квантовом мире всё иначе. Там частица может одновременно быть в нескольких состояниях и в нескольких местах. Поэтому, если провести много измерений и вычислить среднее, оно может оказаться отрицательным — это особенность квантовой статистики. Отрицательное время в опыте — не само течение времени, а лишь средний показатель по множеству событий.

Как физики обнаружили эффект отрицательного времени

Идея проверить эту странность возникла у группы физиков из Университета Торонто ещё в 2017 году. Они задались вопросом, сколько времени фотон проводит в возбуждённом состоянии, когда проходит через вещество. Чтобы получить точный ответ, команда потратила несколько лет на постройку сложной установки. Нужно было создать очень холодное облако атомов, настроить лазеры и научиться измерять крошечные доли секунды.

Учёные применили особый метод, который позволяет «подглядывать» за квантовыми частицами, почти не мешая им. Дело в том, что любое стандартное для нас измерение в микромире меняет характеристики измеряемой частицы. Чтобы избежать этого, был разработан метод «слабого измерения». Он-то и позволил выяснить, сколько времени атом оставался возбуждённым, не нарушая сам процесс.

В чём заключался эксперимент

Теперь, когда мы разобрались с теорией и историей открытия, давайте заглянем в лабораторию и посмотрим, как именно учёные смогли зафиксировать отрицательное время.

Как проходили лабораторные измерения

Учёные взяли облако атомов рубидия (это такой металл) и охладили его до температуры, близкой к абсолютному нулю, — примерно –273 °C. При такой температуре атомы почти замирают, и их легче изучать. Через это облако пропускали лазерный луч. Когда фотон попадал в атом, он передавал ему свою энергию, и атом на мгновение переходил в возбуждённое состояние.

Для измерения учёные использовали второй, более слабый лазерный луч, который проходил сквозь то же облако. Этот луч менял свои свойства (фазу) в зависимости от того, сколько атомов в данный момент возбуждено. Путём математических расчётов учёные смогли вычислить среднее время, которое атомы проводили в возбуждённом состоянии.

Что именно удалось зафиксировать

Среднее время возбуждения оказалось отрицательным. То есть, если взять все удачные прохождения фотонов и посчитать среднее значение, получилось число со знаком минус. Для одного из типов используемых импульсов оно составило примерно –0,82 (в условных временных единицах) с погрешностью ±0,31. Это означает, что даже с учётом ошибок измерений результат остаётся отрицательным.

Почему результаты удивили учёных

Удивило учёных не столько само отрицательное число — теоретики его предсказывали. Куда поразительнее было, что это число удалось реально измерить в лаборатории. Раньше многие физики считали, что отрицательное время — это просто математический парадокс, который не имеет физического смысла. Оказалось же, что это реально наблюдаемый эффект. Сами учёные признаются, что даже с коллегами обсуждать эту тему непросто. Многие их неправильно понимают. Хотя интернет запестрел заголовками о «путешествиях во времени», это, конечно, не было правдой.

Может ли время быть отрицательным в физике

В обычной, классической физике — нет. Время всегда положительно, и причина всегда идёт перед следствием. Это жёстко закреплено в теории относительности Эйнштейна: ничто не может двигаться быстрее света и никакая информация не может попасть в прошлое.

Однако в квантовой физике, которая описывает мир атомов и частиц, разрешены вероятности и суперпозиции. Там частица может находиться сразу в нескольких местах или состояниях. И средние значения некоторых величин могут быть отрицательными — это не противоречит законам, потому что это не нарушает причинность. Это просто особенность статистики.

Материалы по теме

Доступно с Vedora

02.06, 14:00

История машины времени: от фантастики Уэллса до теории Маллетта

От романа 1895 года до вращающихся лазеров в современной лаборатории — путь длиной в 130 лет

Тайные знания

Доступно с Vedora

24.06, 06:00

Три теории о существовании параллельных вселенных

Где-то за горизонтом видимости может существовать ваша точная копия — и это не фантастика, а следствие уравнений современной физики

Тайные знания

Почему открытие не доказывает возможность путешествий во времени

Главной причиной невозможности полноценных путешествий во времени является то, что скорость света конечна и недостижима. Некоторые волновые эффекты (например, фазовая скорость) могут формально превышать скорость света, но они не переносят ни энергии, ни информации, поэтому специальная теория относительности здесь не нарушена.

В физике известен эффект, когда пик светового импульса выходит из среды раньше, чем если бы он прошёл то же расстояние в вакууме. Это называется аномальной групповой задержкой. Однако это не означает, что свет обгоняет сам себя или нарушает причинность, так как передний фронт импульса по-прежнему движется не быстрее скорости света. Это просто волновое свойство.

Сами фотоны в эксперименте не несут сообщений, которые можно было бы отправить в прошлое. Передача информации быстрее света запрещена, и здесь этого не происходит. Кроме того, отрицательное время получается только при усреднении многих тысяч измерений. Ни один отдельный фотон не «путешествовал во времени». Как говорят сами авторы:

«Мы не утверждаем, что что-то двигалось назад во времени. Это просто неверное толкование».

Какие перспективы открывает эффект отрицательного времени

Хотя создание машины времени по-прежнему остаётся невозможным, открытие выглядит довольно перспективным. Метод измерения, которым пользовались учёные, поможет создавать невероятно точные приборы. Понимание того, как свет взаимодействует с атомами, важно для разработки квантовых процессоров — компьютеров будущего, которые будут намного мощнее нынешних.

FAQ

Список источников:

1. Angu­lo, D., Thomp­son, K., Nixon, V.-M., Jiao, A., Wise­man, H. M., & Stein­berg, A. M. (2024). Exper­i­men­tal evi­dence that a pho­ton can spend a neg­a­tive amount of time in an atom cloud.
2. Angu­lo, D., Thomp­son, K., Nixon, V.-M., Jiao, A., Wise­man, H. M., & Stein­berg, A. M. (2026). Exper­i­men­tal obser­va­tion of neg­a­tive weak val­ues for the time atoms spend in the excit­ed state as a pho­ton is transmitted.
3. Stein­berg, A. M., Sin­clair, J., & Angu­lo, D. (2024). How much time does a pho­ton spend as an atom­ic excitation?
4. Sci­en­tif­ic Amer­i­can (2024, 30 сентября). Evi­dence of ‘Neg­a­tive Time’ Found in Quan­tum Physics Experiment.
5. «Наука ТВ» (2025, 24 сентября). «Физики впервые зафиксировали отрицательное время для фотонов».
6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Квантовая механика (нерелятивистская теория)».
7. Эйнштейн А. «Собрание научных трудов. Т. 1: Работы по теории относительности».
8. Фейнман Р. «КЭД — странная теория света и вещества».
9. Клышко Д. Н. «Фотоны и нелинейная оптика».
10. Скалли М. О., Зубайри М. С. «Квантовая оптика».
11. Пригожин И., Стенгерс И. «Время, хаос, квант: К решению парадокса времени».
12. Менский М. Б. «Человек и квантовый мир».