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Un fotone può restare in una nube atomica per un tempo negativo?
Ricercatori dell'Università di Toronto, con il contributo teorico della Griffith University, hanno osservato che un fotone trasmesso attraverso una nube atomica può lasciare negli atomi la firma di un tempo di permanenza negativo. L'esperimento, pubblicato su Physical Review Letters, confronta due misure indipendenti dello stesso processo e mostra che il risultato non è soltanto un'apparenza prodotta dall'anticipo dell'impulso luminoso.
Nel laboratorio, singoli fotoni sono stati inviati verso una nube di atomi di rubidio. La loro energia era regolata sulla risonanza atomica, quindi poteva essere trasferita temporaneamente agli atomi sotto forma di eccitazione. Nella maggior parte dei casi il fotone veniva poi riemesso in una direzione casuale; soltanto una frazione riusciva ad attraversare la nube proseguendo lungo la traiettoria iniziale.
Per interagire efficacemente con gli atomi, il fotone doveva avere un'energia definita con grande precisione. Il principio di indeterminazione implica però che, in queste condizioni, il suo impulso luminoso abbia una durata estesa e un istante di arrivo poco definito. Confrontando i tempi medi di ingresso e uscita, i fotoni trasmessi sembravano emergere prima di quanto previsto per un attraversamento alla velocità della luce.
Un simile anticipo era già stato osservato nel 1993 e generalmente interpretato come una conseguenza della deformazione dell'impulso: la sua parte anteriore avrebbe maggiori probabilità di superare la nube, mentre quella restante verrebbe dispersa. Il nuovo esperimento ha verificato questa spiegazione interrogando direttamente gli atomi, per stabilire quanto a lungo l'energia del fotone fosse rimasta nella nube come eccitazione. Il risultato è un tempo di permanenza negativo ottenuto da una misura fisicamente distinta.
Misurare continuamente l'eccitazione con grande precisione avrebbe alterato l'interazione, fino a sopprimerla attraverso il cosiddetto effetto Zenone quantistico. I ricercatori hanno quindi impiegato una misura debole: un laser ausiliario attraversava la nube mentre piccolissime variazioni della sua fase indicavano se gli atomi fossero eccitati. Ogni singola lettura era molto imprecisa, ma perturbava il sistema in maniera trascurabile.
La precisione è arrivata dalla media di milioni di ripetizioni, considerando gli eventi nei quali il fotone superava la nube senza essere disperso. Il tempo ricavato dalla risposta degli atomi ha coinciso con quello negativo suggerito dall'anticipo medio dei fotoni. Poiché questa seconda misura dipende dall'eccitazione della nube, non può essere ricondotta soltanto alla selezione della parte anteriore dell'impulso luminoso.
Il risultato non significa che un fotone possa viaggiare nel passato, superare causalmente la velocità della luce o uscire letteralmente prima di essere entrato. Il valore negativo descrive una quantità media condizionata agli eventi trasmessi, ottenuta in un regime nel quale non è possibile assegnare al fotone una traiettoria classica completa. L'esperimento resta spiegabile dalla fisica quantistica standard, ma dimostra che quel valore apparentemente paradossale produce una risposta misurabile nella materia attraversata.
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