캐나다 토론토 대학교와 호주 그리피스 대학교 팀이 완료한 실험에 따르면 광자가 차가운 루비듐 원자로 구성된 원자 "교통"을 통과할 때 실제로 "늦게 출발하고 일찍 도착"할 수 있으며 이는 원자 매질에서 "음의 시간"을 경험하는 것과 통계적으로 동일합니다. 연구진은 정확한 측정을 통해 전체 광 펄스에서 검출기에 가장 먼저 도달한 광자가 원자 구름에 머무르는 것을 추적할 경우 "음의" 평균 체류 시간을 갖게 된다는 사실을 발견했습니다. 이 결과는 양자 규모에서 시간 개념의 기이함과 모호함을 더욱 강조합니다.

고전적 직관에 따르면, 진공 상태에서 정보의 전파 속도는 초당 약 300,000km로 고정되어 있는데, 이는 소위 원인과 결과의 "제한 속도"입니다. 질량이 없는 입자/파동인 광자 역시 진공에서 이 상한선을 엄격하게 준수해야 합니다. 원자와 같은 매체가 전파 경로에 도입되면 광자가 원자와 흩어지거나 상호 작용하여 전체 펄스가 "느려지는" 것처럼 보이지만 이는 일반적으로 인과 속도의 진정한 돌파구라기보다는 경로가 구불구불하다는 것을 의미하는 것으로 이해됩니다. 직관적으로 사람들은 광 펄스가 원자 매체를 통과할 때 "일찍 일어나는 새"가 일찍 도착하고 "지체하는 사람"이 늦게 도착하는 출퇴근 시간의 교통 흐름과 같아야 한다고 기대합니다. 전체 모양은 시간 축에서 뒤로 이동합니다.

그러나 1990년대부터 실험 물리학자들은 진공에서 이동하는 광 펄스와 매질을 통과하는 광 펄스를 비교하는 반직관적인 현상을 연속적으로 보고했습니다. 때로는 매질 내 펄스의 "피크"가 진공 내 피크보다 일찍 검출기에 도달합니다. 이는 모든 광자가 진공 상태보다 더 빠르게 이동한다는 의미는 아니지만 펄스의 전체 모양이 매질에서 "재형성"되어 통계적 "피크"가 앞으로 이동한다는 의미입니다. 한 가지 설명은 광자와 원자 사이의 상호 작용이 통계적으로 유사한 "그림자"를 만들어 출력 펄스의 분포를 변경하여 원래 중앙에 집중된 광자가 앞으로 이동하여 피크가 "앞으로 점프"하게 한다는 것입니다.

최신 연구에서 과학자들은 이러한 "거시적 재형성"의 간섭을 제거하고 보다 미세한 수준에서 매체 내 광자의 시간 특성을 직접 평가할 수 있기를 희망합니다. 이를 위해 연구팀은 단순히 광 펄스의 입출력 파형을 관찰하는 데 그치지 않고, 초저온에서 루비듐 원자 구름을 '관찰'하는 데 주력했다. 원자가 여기된 후 여기 상태의 지속 시간을 측정함으로써 그들은 원자와 상호 작용하는 광자가 "얼마나 오랫동안" 매질에 머무르는지를 간접적으로 추론했습니다. 이러한 유형의 측정은 매우 민감하며 신뢰할 수 있는 통계 결과를 얻기 위해 원자의 섬세한 양자 거동에 대한 환경 소음의 간섭을 평균화하기 위해 수많은 반복 실험이 필요합니다.

분석에 따르면 통계적 관점에서 볼 때 전체 펄스에서 "초기 도착"하는 광자는 원자 매체에서 "음의 시간"을 경험한 측정 결과에 해당합니다. 이것은 확실히 그들이 실제로 일종의 웜홀에 빠졌고 미래에서 다시 "여행했다"거나 인과 법칙이 위반되었다는 의미는 아닙니다. 물리학자들은 이 과정에서 시공간 구조가 와해되지 않고 인과관계의 질서가 일관되게 유지된다는 점을 강조했다. 실제로 "확장된" 것은 양자 수준에서 시간 자체의 물리적 양입니다. 다른 양자 관측물과 마찬가지로 미세한 규모의 퍼지 구름과 확률 구름의 특성을 보여줍니다.

그 뒤에 있는 이론적 틀은 여전히 ​​하이젠베르크의 불확정성 원리와 분리될 수 없습니다. 특정 물리량(예: 에너지)을 매우 높은 정밀도로 측정하면 쌍을 이루는 불확실한 양(예: 시간)이 더욱 모호해집니다. 광자와 원자 사이의 상호 작용 중에 두 당사자의 에너지 수준은 "공명"과 유사한 상태로 나타납니다. 마치 부모가 빡빡한 리듬으로 그네를 밀고 있는 것과 같습니다. 이 경우 에너지를 매우 정확하게 정의할 수 있는 반면, 시간의 차원은 강제로 완화되어 측정 결과가 양자요동에 '번짐'되어 통계적으로 '음의 시간'과 같은 비정상적인 값이 나타날 수 있습니다. 즉, 소위 '음의 시간'은 빛이 실제로 거꾸로 가는 것을 의미하는 것이 아니라, 그 시간이 양자 수준에서 비고전적인 방식으로 확률 분포에 들어가도록 허용함으로써 특정 조건에서 일상 경험 이상의 판독값을 제공하는 것입니다.

연구팀은 향후 유사한 실험에서 펄스의 "늦은" 광자가 해당 "시간 잉여"를 "운반"하는지 여부가 확인될 수 있다면 이 현상에서 양자 불확실성의 정확한 역할이 더욱 고정될 것으로 예상된다고 지적했습니다. 이러한 실험이 완성되면 과학자들은 양자 세계에서 시간이 어떻게 작동하는지 더 명확하게 설명할 수 있을 것이며, 양자 정보 전달 및 빛-물질 상호 작용과 같은 근본적인 문제에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대됩니다. 일반 직장인들에게 더 반향을 불러일으킬 수 있는 것은 이 연구가 적어도 신체적 수준에서 "뇌 변명"을 제공한다는 것입니다. 어느 날 또 지각하면 상사에게 "죄송합니다. 도중에 약간의 양자 불확실성을 경험했습니다"라고 말하고 싶지 않을 사람이 어디 있겠습니까?