การศึกษาฟิสิกส์ควอนตัมมักเจอปรากฏการณ์แปลกประหลาดที่ดูไร้เหตุผล ไม่ว่าจะเป็นอะตอมและโมเลกุลบางครั้งทำหน้าที่เป็นอนุภาค บางครั้งทำหน้าที่เป็นคลื่น หรืออนุภาคที่สามารถเชื่อมต่อถึงกันได้แม้จะอยู่ห่างไกลคนละฝั่งจักรวาล
แต่ล่าสุด ในงานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่บน arXiv.org เมื่อวันที่ 5 ก.ย. ซึ่งยังไม่ได้รับการตรวจสอบซ้ำโดยผู้เชี่ยวชาญที่ไม่มีส่วนได้ส่วนเสีย ระบุว่า พบอีกปรากฏการณ์ประหลาดระหว่างการศึกษาฟิสิกส์ควอนตัม นั่นคือ “เวลาติดลบ” (Negative Time)
ทีมวิจัยที่นำโดย ดาเนียลา แองกูโล จากมหาวิทยาลัยโตรอนโต พบว่า โฟตอน (Photon) ซึ่งเป็นอนุภาคของแสง สามารถเคลื่อนตัวผ่านกลุ่มอะตอมที่เย็นจัดโดยใช้เวลาเป็นลบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง “โฟตอนดูเหมือนจะออกจากวัตถุหนึ่งได้ก่อนที่จะเข้าไปในวัสดุนั้น”
นายพลอิหร่านหายตัวปริศนา หลังอิสราเอลถล่มเลบานอน
เอเฟรียม สไตน์เบิร์ก นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโตรอนโต ระบุว่า “การทดลองของเราสังเกตพบบว่า โฟตอนสามารถทำให้อะตอมดูเหมือนว่าใช้เวลาเป็นลบในสถานะกระตุ้น (Excited State) ได้”
สถานะกระตุ้นคือสภาพของอะตอมที่มีอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานสูงกว่าสถานะพื้น (Ground State)
แนวคิดสำหรับงานวิจัยชิ้นนี้เกิดขึ้นในปี 2017 ในขณะนั้น สไตน์เบิร์กและเพื่อนที่เป็นนักศึกษาปริญญาเอก โจไซอาห์ ซินแคลร์ สนใจในปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการกระตุ้นอะตอม (Atomic Excitation)
การกระตุ้นอะตอมคือ เมื่อโฟตอนผ่านตัวกลางและถูกดูดซับ อิเล็กตรอนที่หมุนวนรอบอะตอมในตัวกลางนั้นจะกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้เปลี่ยนไปสู่สถานะเดิม อิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานที่ดูดซับไว้เป็นโฟตอนที่ปล่อยออกมาอีกครั้ง ทำให้เกิดการหน่วงในระยะเวลา (Time Delay) ที่แสงผ่านตัวกลางที่สังเกตได้
ทีมของซินแคลร์ต้องการวัดค่าการหน่วงเวลานี้ และศึกษาว่ามันขึ้นอยู่กับชะตากรรมของโฟตอนนั้นหรือไม่ มันกระจัดกระจายและถูกดูดซับภายในกลุ่มอะตอมหรือไม่ หรือมันถูกส่งออกไปโดยไม่มีปฏิสัมพันธ์ใด ๆ เลย
ซินแคลร์บอกว่า “ในตอนนั้น เราไม่แน่ใจว่าคำตอบคืออะไร และเรารู้สึกว่าคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับบางสิ่งที่พื้นฐานมากนั้นควรจะตอบได้ง่าย แต่ยิ่งเราพูดคุยกับผู้คนมากขึ้นเท่าไร เราก็ยิ่งตระหนักว่า แม้ทุกคนจะมีสัญชาตญาณหรือการคาดเดาของตนเอง แต่ไม่มีฉันทามติจากผู้เชี่ยวชาญว่าคำตอบที่ถูกต้องควรเป็นอย่างไร”
เนื่องจากธรรมชาติของการหน่วงเวลาเหล่านี้อาจแปลกประหลาดและขัดกับสัญชาตญาณได้มาก นักวิจัยบางคนจึงมองว่า ปรากฏการณ์นี้ไม่มีความหมายในการอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับแสง
แต่หลังจากการวางแผน 3 ปี ทีมวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์เพื่อหาคำตอบนี้ในห้องแล็บ การทดลองของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการยิงโฟตอนผ่านกลุ่มอะตอมรูบิเดียม (Rubidium) ที่เย็นจัด และวัดระดับการกระตุ้นอะตอมที่เกิดขึ้น
การทดลองนี้ทำให้เกิดความประหลาดใจ 2 ประการ คือ บางครั้งโฟตอนจะผ่านอะตอมไปโดยไม่เกิดความเปลี่ยนแปลง แต่อะตอมของรูบิเดียมกลับยังคงถูกกระตุ้นอยู่ดี และอยู่ในสถานะถูกกระตุ้นนานเท่ากับกรณีที่มันดูดซับโฟตอนเหล่านั้นไว้
ที่แปลกกว่านั้นคือ ในกรณีที่โฟตอนถูกอะตอมดูดซับ จะดูเหมือนว่าโฟตอนถูกปล่อยออกมาอีกครั้งเกือบจะในทันที ก่อนที่อะตอมของรูบิเดียมจะกลับสู่สถานะพื้นฐาน ราวกับว่าโฟตอนออกจากอะตอมเร็วกว่าที่คาดไว้มาก
จากนั้น ทีมวิจัยได้ร่วมมือกับ ฮาเวิร์ด ไวส์แมน นักฟิสิกส์ทฤษฎีและควอนตัมจากมหาวิทยาลัยกริฟฟิธในออสเตรเลีย เพื่อสร้างคำอธิบาย กรอบทฤษฎีที่เกิดขึ้นแสดงให้เห็นว่า เวลาที่โฟตอนใช้ในการกระตุ้นอะตอมนั้น ตรงกับการหน่วงเวลาที่เกิดขึ้นเมื่อแสงเคลื่อนผ่านตัวกลาง และตรงกันอย่างสมบูรณ์แบบ แม้กระทั่งในกรณีที่ดูเหมือนว่าโฟตอนจะถูกปล่อยออกมาอีกครั้งก่อนที่ระดับการกระตุ้นอะตอมจะลดลงเสียอีก
หากต้องการทำความเข้าใจกับการค้นพบที่ไร้เหตุผลนี้ ให้คิดว่าโฟตอนเป็นวัตถุควอนตัมประเภทที่การดูดกลืนและการปล่อยโฟตอนใด ๆ ผ่านการกระตุ้นของอะตอมนั้นไม่ได้รับประกันว่าจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่กำหนดแน่นอน แต่จะเกิดขึ้นในช่วงค่าเวลาที่คลุมเครือและมีความน่าจะเป็นต่างกัน
ค่าเหล่านี้อาจครอบคลุมถึงกรณีที่เวลาการเคลื่อนผ่านของโฟตอนแต่ละตัวเกิดขึ้นทันที หรือที่แปลกประหลาดก็คือ สิ้นสุดก่อนที่การกระตุ้นของอะตอมจะหยุดลง ซึ่งจะให้ค่าเวลาออกมาเป็นติดลบ
ซินแคลร์กล่าวว่า “ผมรับรองได้เลยว่า เราประหลาดใจมากกับทฤษฎีนี้” โดยอ้างถึงการจับคู่ระหว่างการหน่วงของเวลาและเวลาที่โฟตอนใช้ในการกระตุ้นอะตอม
“และทันทีที่เรามั่นใจว่าเราไม่ได้ทำผิดพลาด สไตน์เบิร์กและทีมวิจัยที่เหลือก็เริ่มวางแผนที่จะทำการทดลองติดตามผลเพื่อทดสอบทฤษฎีเวลาเชิงลบที่บ้าคลั่งนี้ และดูว่าทฤษฎีเป็นจริงจริงหรือไม่” ซินแคลร์กล่าว
การทดลองติดตามผลซึ่งนำโดยแองกูโลได้พิจารณาถึง 2 วิธีที่โฟตอนสามารถส่งผ่านอะตอมได้
ทางแรก โฟตอนจะมองไม่เห็นอะไรเลยและไม่สนใจอะตอมเลย ส่วนอีกทางหนึ่ง โฟตอนจะมีปฏิกิริยาโต้ตอบกับอะตอม โดยเพิ่มระดับพลังงานให้สูงขึ้น ก่อนที่จะถูกปล่อยออกมาอีกครั้ง
“เมื่อคุณเห็นโฟตอนเคลื่อนผ่าน คุณไม่สามารถรู้ได้ว่าเกิดขึ้นจากทางแรกหรือทางที่สอง” สไตน์เบิร์กกล่าว พร้อมเสริมว่า เนื่องจากโฟตอนเป็นอนุภาคควอนตัมในอาณาจักรควอนตัม ผลลัพธ์ทั้งสองทางจึงสามารถซ้อนทับกันได้ ซึ่งทั้งสองสิ่งสามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเดียวกัน
“เครื่องมือวัดจะลงเอยด้วยการซ้อนทับของการวัดค่าออกมาเป็นศูนย์และวัดค่าบวกเล็กน้อยบางค่า” แต่สไตน์เบิร์กตั้งข้อสังเกตว่า นั่นหมายความว่า บางครั้งเครื่องมือวัดจะลงเอยในสถานะที่ดูไม่เหมือน “ศูนย์บวกอะไรสักอย่างที่เป็นบวก” แต่เหมือน “ศูนย์ลบอะไรสักอย่างที่เป็นบวก” ส่งผลให้ดูเหมือนเกิดค่าลบสำหรับเวลาการกระตุ้นอะตอมนี้
ผลการวัดในการทดลองของแองกูโลและทีมวิจัยของเธอแสดงให้เห็นว่า โฟตอนเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้เร็วกว่าเมื่อกระตุ้นอะตอม มากกว่าเมื่ออะตอมยังคงอยู่ในสถานะพื้นฐาน
“ความล่าช้าของเวลาเชิงลบอาจดูขัดแย้ง แต่ความหมายก็คือ หากคุณสร้างนาฬิกาควอนตัมขึ้นมาเพื่อวัดระยะเวลาสถานะกระตุ้นของอะตอม เข็มนาฬิกาจะเคลื่อนที่ไปข้างหลังมากกว่าจะเดินหน้าในบางสถานการณ์” ซินแคลร์กล่าว กล่าวอีกนัยหนึ่ง เวลาที่อะตอมดูดซับโฟตอนนั้นเป็นค่าลบ
แม้ว่าปรากฏการณ์นี้จะน่าประหลาดใจ แต่ก็ไม่มีผลกระทบต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเวลา แต่แสดงให้เห็นอีกครั้งว่า โลกควอนตัมยังคงมีเรื่องเซอร์ไพรส์รออยู่
อ่านงานวิจัยฉบับเต็ม ที่นี่
เรียบเรียงจาก Spektrum der Wissenschaft
- คอนเทนต์พิเศษ
สำหรับคุณ - TOP ต่างประเทศ
- วิดีโอยอดนิยม
