Cientistas observaram ‘tempo negativo’ pela primeira vez em um experimento quântico

Um fóton entra em uma nuvem de átomos e emerge do outro lado. Quando os físicos calculam por quanto tempo os átomos ficaram excitados por aquele fóton transmitido, a resposta cai abaixo de zero.

Universidade de Toronto Os pesquisadores transformaram esse resultado aparentemente impossível em medições laboratoriais. Seu experimento encontrou um valor negativo fraco para o fóton transmitido excitar os átomos. Não mostra que a luz está atrasada ao longo do tempo, mas mostra que um atraso negativo pode controlar uma interação física mensurável.

A obra foi lançada em 1971 Setembro de 2024 Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon, Andy Xiao, Howard M. Wiseman e Ephraim M. por Steinberg. A maioria trabalhou na Universidade de Toronto, enquanto Wiseman contribuiu na Griffith University, na Austrália.

O experimento atraiu a atenção mundial porque deu significado físico a uma quantidade muitas vezes considerada principalmente reconstrução de ondas. Em 13 de abril de 2026, o trabalho foi aprovado na revisão por pares e apareceu em Carta de revisão física.

A luz geralmente fica mais lenta à medida que passa pela matéria. Perto de uma ressonância nuclear, entretanto, diferentes componentes de frequência de um pulso podem ser atrasados ​​em quantidades diferentes. Quando esses elementos se recombinam, a interferência pode remodelar o pulso de modo que seu pico saia antes do esperado.

Os físicos descrevem essa transição usando atraso de grupo. Sob algumas condições, o atraso calculado é negativo, o que significa que o pico do pulso de saída aparece antes que um pulso comparável viaje sem o meio.

Isso não significa que a informação se mova mais rápido que a luz. A borda principal do pulso ainda respeita a causalidade. A aparente melhoria vem da maneira como o meio muda a forma do pulso, em vez de um fóton atravessando a luz viajando no vácuo.

Muitos pesquisadores, portanto, viram o atraso do grupo negativo como uma descrição matemática da forma de onda de saída, e não como evidência de que algo dentro do componente passou por um período negativo. A equipe de Steinberg testou se o número ainda poderia prever um efeito físico distinto dentro de uma nuvem nuclear.

Os pesquisadores usaram uma nuvem fria de átomos de rubídio-85. Pulsos de sinal fracos viajaram através da nuvem enquanto um feixe de sonda separado e fora de ressonância atravessava a mesma região.

À medida que um fóton sinal interage com um átomo, parte de sua energia pode existir temporariamente como uma excitação nuclear coletiva. A excitação altera as propriedades ópticas da nuvem e muda a fase do feixe da sonda através de uma interação conhecida como efeito Kerr cruzado.

A mudança de fase fornece um registro indireto de quão fortemente e por quanto tempo os átomos foram excitados. Em vez de parar um fóton para verificar o que ele estava fazendo, a equipe mediu o traço de sua interação deixado em feixes de sondas separados.

Os pesquisadores então selecionaram ensaios nos quais um fóton sinal foi detectado sem ser espalhado após passar pela nuvem. A comparação das respostas das sondas em ensaios escolhidos e não escolhidos permitiu-lhes isolar a excitação nuclear especificamente associada ao fóton transmitido.

Quando a resposta de fase é integrada com o tempo, o resultado segue o atraso de grupo do fóton. Em algumas condições experimentais, ambos os valores foram positivos. Sob outros, ambos se tornam negativos.

Os pesquisadores mediram o tempo de excitação de 0,82, com incerteza de 0,31, a mais 0,54, com incerteza de 0,28, em relação ao tempo de excitação de referência do teste. Os resultados negativos aparecem mais claramente para os pulsos de largura de banda mais estreita.

O ponto principal não era que um átomo permanecesse excitado literalmente por menos de zero segundos. O efeito mensurável está sendo usado como um sinal anti-horário. Esse sinal apareceu no outro feixe, resultando em um atraso negativo na posição de um pico de pulso remodelado.

O experimento não rastreou um fóton ao longo do caminho clássico. Ele usou uma medição fraca, que extraiu apenas uma pequena quantidade de informação durante cada experimento, ao mesmo tempo que limitou o quanto a medição perturbou o sistema quântico.

Como cada medição individual fornece pouca informação, o processo deve ser repetido muitas vezes. Os pesquisadores então combinam os resultados para determinar o efeito médio produzido pelos fótons transmitidos.

Eles também usaram pós-seleção. Em vez de incluir cada fóton enviado para a nuvem, eles apenas mantiveram experimentos que terminaram com um resultado específico: um fóton sendo transmitido com sucesso através do átomo.

A medição inadequada combinada com a pós-seleção cria um padrão ruim. Ao contrário dos resultados de medição convencionais, valores fracos podem ficar fora da faixa normal de resultados possíveis. Sob as condições de interferência corretas, eles podem ser anormalmente grandes ou negativos.

Os valores não são arbitrários. Isto prevê a mudança média registrada pelo instrumento de medição, que neste caso foi a mudança de fase do feixe da sonda. O resultado negativo descreve toda a sequência de preparação, interação e seleção final, e não um simples período vivido por um átomo.

Essa diferença explica por que o trabalho causou entusiasmo e também ceticismo no público. Algumas descrições sugeriam que os fótons deixavam os átomos antes de entrarem. A afirmação real é mais restrita, mas ainda incomum: uma média condicional que descreve a excitação nuclear tornou-se negativa e outro campo óptico registrou seu sinal.

O teste de tempo negativo baseia-se em um estudo publicado em 2022 PRX Quantum. O grupo de Steinberg já havia medido quanto tempo os átomos permanecem excitados enquanto os fótons passam pelas nuvens atômicas que não são finalmente absorvidos.

Nesse experimento, uma sonda laser fora de ressonância monitorou as mudanças no índice de refração da nuvem. A detecção direta de fótons permite aos pesquisadores isolar os efeitos dos fótons dispersos.

Os resultados mostram que os fótons transmitidos podem deixar uma história de excitação mensurável, mesmo que os átomos não os tenham absorvido permanentemente. Esta descoberta desafiou a suposição intuitiva de que apenas os fótons dispersos ou absorvidos contribuem para o tempo de excitação do átomo.

O experimento seguinte usou a mesma técnica geral de medição, mas empurrou o sistema para condições em que a teoria prevê que o atraso do grupo ultrapassaria abaixo de zero.

Através de diferentes durações de pulso e densidades de nuvens nucleares, os tempos de excitação medidos seguem o atraso de grupo previsto. Esta concordância sugeria que o resultado negativo não era simplesmente um artefato causado pelo rastreamento do máximo de um pulso de saída distorcido.

Uma análise teórica é publicada APL Quantum Setembro de 2025 deu ao exame uma estrutura ampla. Thompson e seus colegas consideraram a excitação nuclear uma forma de tempo de residência quântica, que mede quanto tempo a energia de uma partícula ocupa uma determinada região ou estado durante uma interação.

Seus cálculos mostram que o espectro de tempo de excitação associado ao fóton transmitido é igual ao atraso médio do grupo, quando esse atraso é negativo.

A situação é diferente para os fótons espalhados fora do feixe que se move para frente. Para esses fótons, existe o atraso do grupo de tempo de excitação previsto e uma quantidade adicional, sempre positiva, chamada atraso de espalhamento de Wigner.

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo simplificado que mostra como um tempo de permanência negativo pode surgir devido à interferência quântica.

Um fóton transmitido pode ser descrito por múltiplas histórias possíveis. Numa história, atravessou a nuvem enquanto criava pouca tensão nuclear. No outro, parte da sua energia é armazenada coletivamente em átomos antes de ser refletida de volta para a luz direta.

A mecânica quântica combina as amplitudes de probabilidade associadas a essas histórias. As amplitudes podem reforçar-se ou cancelar-se parcialmente.

Depois que o experimento termina apenas com fótons transmitidos, a interferência destrutiva pode fazer com que a contribuição fracamente medida associada à excitação nuclear apareça com um sinal negativo.

O modelo não necessita de energia para permanecer dentro do átomo por períodos inferiores a zero segundos. Em vez disso, mostra como uma média quântica condicional pode ser negativa quando diferentes histórias potenciais interferem.

seu título Carta de revisão física O artigo “Observação experimental de valores fracos negativos para o tempo gasto no estado excitado enquanto um fóton é transmitido” substituiu o termo excitado da pré-impressão sobre um fóton passando tempo negativo dentro de uma nuvem de átomos pela frase mais precisa “valor fraco negativo”.

Essa frase é importante. O experimento não derrubou a relatividade, não reverteu causa e efeito nem criou viagens no tempo. Isto mostrou que um valor negativo fraco corresponde a uma resposta de fase mensurável no outro campo óptico.

Os físicos continuam a debater como os valores fracos devem ser interpretados. Alguns os veem como fornecendo informações entre a preparação e a medição final de sistemas quânticos. Outros os consideram principalmente uma forma de descrever estatísticas de medição condicional.

O teste não resolve esse desacordo filosófico. Isto reforça o argumento de que, independentemente da interpretação, o valor negativo prevê um efeito laboratorial observável, em vez de servir apenas como um resultado matemático abstrato.

Em junho de 2026, Xiao, Nixon, Thompson e Steinberg relataram outra experiência que estendeu a estrutura de preços fracos para além da questão original do tempo negativo.

As não-linearidades ópticas de fóton único enfrentam uma difícil compensação. Interações fortes com átomos favorecem a luz que é sintonizada brevemente em uma ressonância atômica, o que geralmente requer um pulso longo. A intensidade de pico alta, entretanto, favorece um pulso curto.

Geralmente, um fóton não pode ser claramente definido em frequência e fortemente restringido no tempo devido à relação de incerteza tempo-energia.

A equipe preparou fótons de banda estreita perto da ressonância, enviou-os através de uma nuvem nuclear fria e depois postou os fótons detectados dentro de uma janela de tempo estreita. Isso preserva a estreita faixa de frequência do estado pronto enquanto localiza os fótons selecionados no tempo.

Os pesquisadores mediram um pico de mudança de fase cruzada produzido por pulsos gaussianos comparáveis ​​sem pós-seleção, com uma incerteza seis vezes maior. O resultado foi registrado a uma profundidade óptica de cerca de 2,4 e corresponde qualitativamente à teoria do valor fraco da excitação nuclear de 2025.

Esse acompanhamento continua sendo uma pré-impressão e a revista não concluiu a revisão por pares. No entanto, mostra como a experiência original evoluiu para uma investigação mais ampla de como a preparação, a interferência e a pós-seleção determinam os efeitos produzidos por fótons individuais.

A história não é mais apenas sobre um pulso que parece vir rapidamente. As medições agora vinculam atrasos de grupos negativos a excitações atômicas, tempos de permanência quântica e fortes mudanças de fase induzidas por fótons.

O que inicialmente parecia uma leitura impossível do relógio acabou por ser um sinal reproduzível de como as histórias quânticas concorrentes interferem.