Como nos conta Homero, Odisseu fez uma viagem épica, contra todas as probabilidades, de Tróia até sua casa em Ítaca. Ele visitou muitas terras, mas morou principalmente com a ninfa Calipso em sua ilha.
Podemos imaginar que sua esposa, Penelope, teria lhe perguntado sobre aquela época específica. Odisseu poderia ter respondido: “Não foi nada. Na verdade, foi menos que nada. Menos cinco anos morei com Calipso. De que outra forma eu poderia ter chegado em casa depois de apenas dez anos? Se você não acredita em mim, pergunte a ela.”
Acontece que as partículas quânticas são tão astutas quanto Odisseu, como meus colegas e eu demonstramos em um experimento publicado em Cartas de revisão física. A hora de sua chegada não apenas pode sugerir que eles conviveram com outras partículas por um período de tempo negativo, mas se alguém perguntar a essas outras partículas, elas corroborarão a história.
Fótons morando com átomos
Nosso experimento usou fótons – partículas quânticas de luz – e a jornada contra todas as probabilidades que eles devem empreender para passar direto por uma nuvem de átomos de rubídio.
Esses átomos têm “ressonância” com os fótons, o que significa que a energia do fóton pode ser transferida temporariamente para os átomos como uma excitação atômica. Isto permite que o fóton “habite” na nuvem atômica por um tempo antes de ser liberado.
Para que esta ressonância seja eficaz, o fotão deve ter uma energia bem definida, correspondente à quantidade de energia necessária para colocar um átomo de rubídio num estado excitado.
Mas, por uma forma da famosa frase de Heisenberg princípio da incertezase a energia do fóton estiver bem definida, então seu tempo deverá ser incerto: o pulso de luz que o fóton ocupa deve ter uma longa duração. Isso significa que não podemos saber exatamente quando o fóton entra na nuvem, mas podemos saber em média quando ele entra.
Se um fotão como este for disparado para a nuvem, o resultado mais provável é que a sua energia seja transferida para os átomos e depois reemitida como um fotão viajando numa direção aleatória. Nesses casos, o fóton se espalha e não consegue chegar ao seu Ithaca.
Horários de chegada dos fótons
Mas se o fóton passar direto, algo estranho acontece. Com base no tempo médio em que o fóton entra na nuvem, pode-se calcular o tempo médio esperado para que ele chegue ao outro lado da nuvem, assumindo que ele viaja à velocidade da luz (como os fótons costumam fazer).
O que se descobre é que o fóton chega muito antes disso. Na verdade, chega tão cedo que parece ter passado uma quantidade negativa de tempo dentro da nuvem – para sair, em média, antes de entrar.
Este efeito é conhecido há décadas e foi observado em um experimento de 1993. Mas a maioria dos físicos decidiu não levar a sério esse tempo negativo.
Isso porque isso pode ser explicado dizendo que apenas a parte frontal do pulso de longa duração atravessa a nuvem atômica, enquanto o resto fica espalhado. Isto leva a que um fóton bem-sucedido (não disperso) chegue mais cedo do que seria ingenuamente esperado.
Perguntando aos átomos
Contudo, Aephraim Steinberg, um dos autores desse artigo de 1993, não foi tão rápido a aceitar esta rejeição do tempo negativo como um artefacto. No seu laboratório na Universidade de Toronto, ele queria descobrir o que acontecia se alguém questionasse os átomos de rubídio na nuvem para descobrir quanto tempo o fotão tinha passado entre eles como uma excitação. Depois de uma inicial experimente com resultados inconclusivosele me pediu, como teórico quântico, ajuda para descobrir o que esperar.
Quando falamos em consultar os átomos, o que isso significa na prática é fazer continuamente uma medição nos átomos enquanto o fóton passa pela nuvem para sondar se a energia do fóton está ali atualmente. Mas há aqui uma subtileza: as medições na física quântica perturbam inevitavelmente o sistema que está a ser medido.
Se fizéssemos uma medição precisa para saber se o fotão reside nos átomos, em cada instante de tempo, evitaríamos que os átomos interagissem com o fotão. É como se, apenas observando Calipso de perto, conseguíssemos impedi-la de pôr as mãos em Odisseu (ou vice-versa). Este é o conhecido efeito Zeno quânticoo que destruiria o próprio fenômeno que queremos estudar.
Nosso experimento
A solução é fazer, em vez disso, uma medição muito imprecisa (mas ainda calibrada com muita precisão). Esse é o preço pago para manter a perturbação insignificante. Especificamente, disparamos um feixe de laser fraco – não relacionado ao pulso de fóton único – através da nuvem de átomos e medimos pequenas mudanças na fase da luz do feixe para testar se os átomos estavam excitados.
Qualquer execução única do experimento fornece apenas uma indicação muito aproximada de se o fóton residia nos átomos, mas a média de milhões de execuções produz um tempo de permanência preciso.
Surpreendentemente, o resultado desta fraca medição do tempo de permanência, quando o fotão atravessa directamente a nuvem, é exactamente igual ao tempo negativo sugerido pelo tempo médio de chegada dos fotões. Antes do nosso trabalho, ninguém suspeitava que estes dois tempos, medidos de formas totalmente diferentes, seriam iguais.
Crucialmente, o valor negativo do tempo de permanência medido fracamente não pode ser explicado imaginando que apenas a frente do pulso do fóton passa, ao contrário do tempo inferido a partir do tempo de chegada.
Então, o que tudo isso significa? Uma máquina do tempo está chegando?
Infelizmente, não. Nosso experimento é totalmente explicado pela física padrão.
Mas mostra que o tempo de permanência negativo não é um artefato. Por mais paradoxal que possa parecer, tem um efeito diretamente mensurável na nuvem atómica que o fotão atravessa. E isso nos lembra que ainda existem terras para descobrir na odisséia que é a pesquisa quântica.
Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Inventive Commons. Leia o artigo authentic.