Tempo negativo confirmado: luz parece sair de nuvem antes de entrar

Físicos confirmaram que o tempo negativo é real através de uma experiência que desafia a compreensão clássica da realidade. Quando um feixe de luz passa por uma nuvem de átomos, os fótons às vezes parecem gastar um tempo negativo lá dentro, com a luz parecendo sair da nuvem antes mesmo de entrar.

Este fenômeno quântico foi confirmado por pesquisadores que, em vez de observar apenas quando o fóton chegava a um detector, monitoraram se os átomos estavam em estado excitado enquanto o fóton passava. A equipe publicou seus achados em 13 de abril na revista Physical Review Letters.

“Isso não significa que estamos à beira de construir uma máquina do tempo ou algo assim”, explicou Howard Wiseman, físico quântico teórico da Universidade Griffith na Austrália e coautor do estudo. “Tudo pode ser entendido com física padrão, mas é mais uma propriedade estranha da física quântica que as pessoas não suspeitavam”.

Quando um fóton passa por uma nuvem atômica, ele pode ser temporariamente absorvido. Os fótons desaparecem como partículas de luz e reaparecem como excitações atômicas — uma forma de energia armazenada — antes de serem reemitidos. Alguns fótons, chamados fótons transmitidos, conseguem passar na mesma direção em que entraram.

Experimentos desde 1993 já haviam sugerido que os fótons transmitidos tendem a chegar a um detector antes mesmo do centro de seu próprio pulso entrar na nuagem. Isso implica um tempo de trânsito negativo. No entanto, havia um problema com essa configuração: os fótons na frente de um pulso podem ter mais probabilidade de passar do que os fótons na parte traseira.

“As pessoas estavam convencendo-se de que isso não é tão louco quanto parece”, disse Wiseman. O novo método utilizado pelos pesquisadores resolveu essa questão de forma elegante, medindo diretamente o tempo que os átomos permaneceram em estado excitado.

Quando um fóton é absorvido por um átomo, ele é armazenado como energia, fazendo com que o átomo entre em um estado que os físicos chamam de excitado. O átomo permanece nesse estado excitado até reemitir o fóton. Portanto, medir a duração do estado excitado do átomo revela por quanto tempo o fóton foi absorvido pelo átomo.

A equipe mediu isso usando um segundo feixe de luz, que captava uma pequena mudança de fase dependendo dos níveis de excitação dos átomos. O feixe de luz agiu como uma leitura ao vivo do que os átomos estavam experimentando a cada momento.

Essa leitura atômica confirmou a loucura quântica dos experimentos anteriores. “Você obtém a mesma resposta se perguntar aos átomos: ‘Quanto tempo o fóton ficou com você?'”, disse Wiseman. “Eles também lhe darão uma resposta, que é um tempo negativo”.

Obter essa resposta não foi fácil, pois medir sistemas quânticos os perturba. Neste caso, isso potencialmente impede que o fóton seja absorvido de todo. Portanto, a equipe usou “medidas fracas”, que são suaves mas extremamente ruidosas.

Qualquer execução individual do experimento foi inundada por ruído — flutuações aleatórias que impossibilitavam distinguir sinal de estática em qualquer medição individual. Apenas após a média de aproximadamente 1 milhão de execuções um sinal claro emergiu. Ao longo de cerca de sete conjuntos de parâmetros experimentais, a coleta total de dados atingiu aproximadamente 70 horas.

“Mesmo nesta coisa realmente simples — um fóton interagindo com átomos — as pessoas já faziam cálculos sobre isso há quase 100 anos”, disse Wiseman. “O fato de que ainda pode mostrar surpresas depois de todo esse tempo é interessante”.

Os físicos confirmaram o fenômeno observando diretamente os átomos durante o processo, conforme revelou uma pesquisa publicada na Physical Review Letters. A equipe agora se dirige aos fótons que não conseguem passar pela nuagem, pois a teoria prevê que esses fótons espalhados carreguem tempo de excitação positivo extra.

Essa descoberta não apenas desafia nossa compreensão intuitiva do tempo e da luz, mas também abre novas fronteiras para a exploração das estranhas propriedades do mundo quântico. Os pesquisadores esperam que estudos futuros possam confirmar outras previsões teóricas sobre o comportamento da luz em escalas subatômicas.