Es klingt nach Science-Fiction: Ein Photon durchquert eine Wolke aus Atomen und tritt so früh wieder aus, dass es scheinbar eine negative Zeit darin verbracht hat. Der Effekt ist seit einem Experiment von 1993 bekannt, doch Physiker taten ihn weitgehend als Artefakt ab — nur die Vorderseite des Lichtpulses komme durch und verzerre den Mittelwert.

Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Aephraim Steinberg von der University of Toronto — mit Theoretikern von MIT, Griffith University und IISER Bangalore — den Effekt bestätigt, indem es die Atome selbst befragte. Das in Physical Review Letters veröffentlichte Experiment schickt einen Photonenpuls in eine auf 60–70 Mikrokelvin gekühlte Wolke aus Rubidium-Atomen, während ein zweiter, schwacher Laserstrahl kontinuierlich prüft, ob die Atome angeregt sind.

Da präzise Messungen das System stören würden (Quanten-Zeno-Effekt), nutzte das Team „schwache Messungen" — ungenau, aber präzise kalibriert. Nach der Mittelung von rund einer Million Läufen, gesammelt in etwa 70 Stunden über sieben Parametersätze, entsprach die Antwort der Atome selbst der aus Ankunftszeiten abgeleiteten negativen Zeit: Die mittleren Anregungszeiten reichten von (-0,82 ± 0,31)τ0 für den schmalbandigsten Puls bis (0,54 ± 0,28)τ0 für den breitbandigsten Puls.

„Wenn man die Atome fragt: ‚Wie lange war das Photon bei Ihnen?' — man erhält dieselbe Antwort. Auch sie nennen eine negative Zeit", sagt Howard Wiseman von der Griffith University. Entscheidend: Anders als die Ankunftszeit-Methode lässt sich die schwache Messung nicht mit dem Argument der „Pulsvorderseite" erklären.

Zeitreisen gibt es gleichwohl nicht: Das Ergebnis ist mit der Standardphysik völlig vereinbar. Als Nächstes wollen die Forschenden die gestreuten Photonen untersuchen, die der Theorie zufolge eine zusätzliche positive Anregungszeit tragen, welche die negative Zeit ausgleicht und den Gesamtmittelwert nicht-negativ hält — eine Vorhersage, die nie getestet wurde. Wiseman: Selbst bei „dieser wirklich einfachen Sache — einem Photon, das mit Atomen wechselwirkt — rechnen Menschen seit fast 100 Jahren daran... es kann immer noch überraschen."

Quellen