Fisikawan kuantum akrab dengan fenomena yang tampaknya tidak masuk akal: atom dan molekul terkadang bertindak sebagai partikel, terkadang sebagai gelombang; partikel dapat dihubungkan satu sama lain melalui “aksi seram dari jarak jauh”, bahkan pada jarak yang sangat jauh; dan objek kuantum dapat melepaskan diri dari sifatnya seperti Kucing Cheshire Petualangan Alice di Negeri Ajaib melepaskan diri dari senyumannya. Kini para peneliti yang dipimpin oleh Daniela Angulo dari Universitas Toronto telah mengungkapkan hasil kuantum aneh lainnya: foton, partikel gelombang cahaya, dapat menghabiskan waktu yang sangat lama untuk menembus awan atom dingin. Dengan kata lain, foton tampak keluar dari materi sebelum masuk ke dalamnya.
“Butuh waktu positif, tetapi eksperimen kami yang mengamati bahwa foton dapat membuat atom tampak menghabiskan waktu *negatif* dalam keadaan tereksitasi telah berakhir!” tulis Aephraim Steinberg, fisikawan di Universitas Toronto, dalam sebuah postingan di X (sebelumnya Twitter) tentang studi baru ini, yang diunggah ke server pracetak arXiv.org pada tanggal 5 September dan belum ditinjau oleh rekan sejawat.
Ide untuk karya ini muncul pada tahun 2017. Saat itu, Steinberg dan rekan laboratoriumnya, yang saat itu merupakan mahasiswa doktoral Josiah Sinclair, tertarik pada interaksi cahaya dan materi, khususnya fenomena yang disebut eksitasi atom: ketika foton melewati suatu medium. dan diserap, elektron berputar mengelilingi atom dalam medium tersebut melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ketika elektron tereksitasi ini meluruh ke keadaan semula, ia melepaskan energi yang diserap sebagai foton yang dipancarkan kembali, sehingga menimbulkan penundaan waktu pada waktu transit cahaya yang diamati melalui medium.
Tentang mendukung jurnalisme sains
Jika Anda menyukai artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami dengan berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.
Tim Sinclair ingin mengukur penundaan waktu tersebut (yang terkadang secara teknis disebut “penundaan grup”) dan mencari tahu apakah penundaan tersebut bergantung pada nasib foton: Apakah ia tersebar dan diserap dalam awan atom, atau ditransmisikan tanpa interaksi apa pun? “Pada saat itu, kami tidak yakin apa jawabannya, dan kami merasa bahwa pertanyaan mendasar tentang sesuatu yang begitu mendasar seharusnya mudah dijawab,” kata Sinclair. “Tetapi semakin banyak orang yang kami ajak bicara, semakin kami menyadari bahwa meskipun setiap orang memiliki intuisi atau tebakannya sendiri, tidak ada konsensus para ahli mengenai jawaban yang benar.” Karena sifat penundaan ini bisa sangat aneh dan berlawanan dengan intuisi, beberapa peneliti menganggap fenomena ini tidak ada artinya untuk menjelaskan sifat fisik apa pun yang terkait dengan cahaya.
Setelah tiga tahun perencanaan, timnya mengembangkan peralatan untuk menguji pertanyaan ini di laboratorium. Eksperimen mereka melibatkan penembakan foton melalui awan atom rubidium ultradingin dan mengukur tingkat eksitasi atom yang dihasilkan. Dua kejutan muncul dari percobaan ini: Terkadang sebuah foton dapat melewatinya tanpa terluka, namun atom rubidium tetap tereksitasi—dan hanya selama mereka menyerap foton tersebut. Yang lebih aneh lagi, ketika foton diserap, foton tersebut langsung dipancarkan kembali, jauh sebelum atom rubidium kembali ke keadaan dasarnya—seolah-olah foton, secara rata-rata, meninggalkan atom lebih cepat dari yang diperkirakan.
Tim kemudian berkolaborasi dengan Howard Wiseman, ahli fisika teoretis dan kuantum di Universitas Griffith di Australia, untuk membuat penjelasan. Kerangka teoritis yang muncul menunjukkan bahwa waktu yang dihabiskan foton yang ditransmisikan sebagai eksitasi atom sangat sesuai dengan penundaan kelompok yang diperkirakan diperoleh cahaya—bahkan untuk kasus-kasus di mana foton tampak seolah-olah dipancarkan kembali sebelum eksitasi atom mereda.
Untuk memahami penemuan absurd ini, Anda dapat menganggap foton sebagai objek kuantum kaburnya, di mana penyerapan dan emisi ulang foton melalui eksitasi atom tidak dijamin akan terjadi dalam jangka waktu tertentu; sebaliknya, hal ini terjadi pada rentang nilai dan probabilitas temporal yang terkontaminasi. Seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen tim, nilai ini dapat mencakup kejadian ketika waktu transit sebuah foton terjadi seketika—atau, anehnya, ketika waktu transit tersebut berakhir sebelum eksitasi atom berhenti, yang memberikan nilai negatif.
“Saya berjanji kepada Anda bahwa kami benar-benar terkejut dengan prediksi ini,” kata Sinclair, merujuk pada kecocokan antara penundaan grup dan waktu yang dihabiskan oleh foton yang dikirim sebagai eksitasi atom. “Dan setelah kami yakin kami tidak melakukan kesalahan, Steinberg dan anggota tim lainnya—saya melanjutkan untuk melakukan postdoc di [the Massachusetts Institute of Technology] pada titik ini berencana melakukan eksperimen lanjutan untuk menguji prediksi gila mengenai waktu tunggu negatif ini dan melihat apakah teori tersebut dapat bertahan.”
Eksperimen lanjutan, yang dipimpin oleh Angulo yang digembar-gemborkan oleh Steinberg di X, dapat dipahami dengan mempertimbangkan dua cara transmisi foton. Dalam satu kasus, foton memakai semacam penutup mata dan mengabaikan atom sepenuhnya, pergi tanpa anggukan. Di sisi lain, ia berinteraksi dengan atom, menaikkannya ke tingkat energi yang lebih tinggi, sebelum dipancarkan kembali.
“Ketika Anda melihat foton yang dikirim, Anda tidak dapat mengetahui mana yang terjadi,” kata Steinberg, seraya menambahkan bahwa karena foton adalah partikel kuantum di alam kuantum, kedua hasil tersebut dapat berada dalam superposisi—kedua hal tersebut dapat terjadi. pada saat yang sama. “Alat pengukur berakhir di superposisi pengukuran nol dan mengukur sejumlah nilai positif kecil.” Namun pada saat yang sama, kata Steinberg, hal ini juga berarti bahwa terkadang “pengukur tersebut berada dalam keadaan terlihat bukan seperti ‘nol’ ditambah ‘sesuatu yang positif’ tetapi seperti ‘nol’ menolak ‘sesuatu yang positif,’ menghasilkan apa yang tampak sebagai tanda yang salah, sebuah nilai negatif, untuk masa bergairah ini.”
Hasil pengukuran dalam eksperimen Angulo dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa foton bergerak melalui medium lebih cepat ketika mereka mengeksitasi atom dibandingkan ketika atom tetap dalam keadaan dasarnya. (Foton tidak menyampaikan informasi apa pun, sehingga hasilnya tidak bertentangan dengan batas kecepatan “tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya” yang ditetapkan oleh teori relativitas khusus Einstein.)
“Penundaan waktu negatif mungkin tampak paradoks, tetapi artinya adalah jika Anda membuat jam ‘kuantum’ untuk mengukur berapa banyak waktu yang dihabiskan atom dalam keadaan tereksitasi, jarum jam, dalam kondisi tertentu, akan bergerak mundur, bukan maju. ,” kata Sinclair. Dengan kata lain, waktu penyerapan foton oleh atom adalah negatif.
Meskipun fenomena ini mengesankan, hal ini tidak berdampak pada pemahaman kita tentang waktu itu sendiri—tetapi fenomena ini sekali lagi menggambarkan bahwa dunia kuantum masih memiliki kejutan di masa depan.
“[Angulo] dan seluruh tim telah mencapai sesuatu yang sangat mengesankan dan menghasilkan serangkaian pengukuran yang indah. Hasil penelitian mereka menimbulkan pertanyaan menarik tentang sejarah perjalanan foton melalui media penyerap dan memerlukan penafsiran ulang makna fisik dari penundaan kelompok dalam optik,” kata Sinclair.
Artikel ini awalnya muncul di Spektrum der Wissenschaft dan telah direproduksi dengan izin dengan laporan tambahan oleh Jeanna Bryner.
