Částice může vyletět z rubidia dřív, než vletí dovnitř. Kvantový pokus fyziky překvapil

Fotony zřejmě mohou opustit prostředí dříve, než do něj vstoupí. Naznačuje to nový experiment, který popsal fenomén takzvaného negativního času.

V kvantové fyzice prakticky nic nedává smysl. Věci, které se tam dějí, se nedají srovnat s tím, co se děje v tom světě, který dobře známe kolem nás. Pokud bychom považovali elektron za vrabce, pak by tento vrabec v kvantovém světě mohl být současně i opékačem topinek a mohl by do domu vletět současně oknem i dveřmi. A podle nového pokusu fyziků z Torontské univerzity by takový vrabčák mohl dokonce vyletět z tohoto domu dříve, než do něj vletí.

Že kvantový svět nedává úplně smysl, je zjevné – ale současně se tam tyto zdánlivě nemožné události prokazatelně odehrávají; prokazují to stovky mnohokrát opakovaných pokusů, z nichž řada má i praktické využití a jejich důsledky lidstvo intenzivně používá.

Jeden pokus teď provedli fyzici pod vedením Daniely Angulové z Torontské univerzity. Zatím sice jejich práce neprošla recenzním řízením, ale podle komentářů na serveru arXiv, kam se takové studie nahrávají, zatím nemá nikdo z jiných vědců zásadní výhrady – a to už je tam práce déle než měsíc. „Trvalo to dlouho, ale náš experiment, při kterém jsme pozorovali, že fotony mohou způsobit, že atomy zdánlivě stráví záporné množství času v excitovaném stavu, je na světě,“ napsal spoluautor studie Aephraim Steinberg na síti X.

Právě Steinberg je podle webu Spektrum der Wissenschaft autorem myšlenky na tento zajímavý experiment – původně ho měl napadnout už před sedmi roky.

Něco málo fyziky

Není nutné zabíhat do detailů, ale několik základních myšlenek kvantové fyziky je pro pochopení nutné znát. Celý výzkum se týkal takzvaných excitovaných atomů. Když fotony procházejí nějakým prostředím a jsou tam absorbovány, elektrony vířící kolem atomů v tomto prostředí přeskočí na vyšší energetické hladiny. Když se tyto excitované elektrony vrátí do svého původního stavu, uvolní absorbovanou energii v podobě opětovně vyzářených fotonů, což způsobí časové zpoždění v pozorované době průchodu světla prostředím.

Zpět k metafoře s vrabčákem: v kvantovém světě se snažili vědci měřit, jak ovlivní průlet vrabce dům, jímž proletí. Přitom někdy se vrabec změní na holuba, někde splyne s hodinami kukačkami na zdi, někdy z něj upadne pár peříček, která zvíří prach, a jindy jen tak profrčí, aniž by to zanechalo jedinou stopu.

Torontští vědci tedy chtěli změřit zmíněné zpoždění. Zajímalo je hlavně, jaká je jeho souvislost s tím, co se děje fotonu: jestli byl rozptýlený, pohlcený, nebo se s ním nestalo nic. Přestože by mělo jít o dost základní otázku a vědci předpokládali, že nebude těžké na ni odpovědět, dospěli k pravém opaku. Neexistoval žádný kvalitní výzkum, kterého by se mohli chytit, a experti v oboru na to měli velmi různorodé názory – až po takové, že ani nedává smysl se tím zabývat.

A tak jim nezbývalo než provést vlastní základní výzkum. Museli pro to vytvořit celý nový přístroj, proto se celý pokus protáhl na sedm let. Stříleli v něm fotony do mraku ultrachladných atomů rubidia a měřili výsledný stupeň atomové excitace, popisuje pokus web Scientific American.

Experiment podle něj přinesl dvě překvapení: Někdy fotony prošly bez úhony, ale atomy rubidia byly stále excitované – a to stejně dlouho, jako kdyby tyto fotony absorbovaly. Ještě podivnější ale bylo, že když byly fotony pohlceny, zdálo se, že jsou znovu vyzářeny téměř okamžitě. Ve skutečnosti dokonce mnohem dříve, než se atomy rubidia vrátily do základního stavu – jako by fotony v průměru opouštěly atomy rychleji, než se dostaly dovnitř.

Smysl jim to příliš nedávalo ani v nepochopitelném kvantovém světě.

Proto hledali možná vysvětlení ve spolupráci s dalšími teoretickými fyziky, kteří se popisu kvantových procesů dlouhodobě věnují. Podle Howarda Wisemana z Griffithovy univerzity opravdu vše probíhá tak, jak to vypadá.

Na kvantové úrovni totiž děje neprobíhají, jak je známe. Jsou „rozmazané“, probíhají vždy s nějakou pravděpodobností, v nějakém rozsahu pravděpodobnosti. A to se týká i času: existují tedy pravděpodobnosti, kdy je doba průchodu jednotlivého fotonu okamžitá – anebo dokonce kdy dává zápornou hodnotu.

Paradox

„Tato předpověď nás naprosto překvapila,“ uvedl Steinbergův spoludoktorand Josiah Sinclair pro Spektrum der Wissenschaft. Jemu i zbytku jeho týmu připadaly tyto výsledky natolik šílené, že se je rozhodl ještě jednou ověřit. A opět to vyšlo. Tyto výsledky navíc podle Wisemana ani nenarušují teorii relativity: fotony totiž během tohoto pohybu nepředávaly svému okolí žádné informace, proto to není v rozporu s Einsteinovým „nic nemůže cestovat rychleji než světlo“.

„Záporné časové zpoždění se může zdát paradoxní, ale znamená to, že kdybyste sestrojili ‚kvantové‘ hodiny, které by měřily, kolik času stráví atomy v excitovaném stavu, hodinová ručička by se za určitých okolností pohybovala spíše dozadu než dopředu,“ dodává Sinclair. Jinými slovy, čas, za který byly fotony atomy pohlceny, je záporný.

Přestože je tento jev překvapivý, nemá žádný vliv na naše chápání času jako takového, ale opět ilustruje, že kvantový svět má stále v zásobě překvapení, uzavírá Scientific American.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Neurážejte naše AI, varuje Anthropic uživatele

Lidé, kteří používají modely umělé inteligence (AI) společnosti Anthropic, by je podle ní už nadále neměli urážet a úmyslně je stresovat. Nová pravidla říkají, že uživatelé by mohli kvůli porušování těchto pravidel přijít o přístup ke službám firmy.
10. 10. 2026‌‌

Objev tábora lovců mamutů v Ústí je naprostý unikát, říká archeolog

Až doposud chyběl důkaz o tom, že by se v pravěku lovili mamuti i na území dnešních Čech. Zatímco na Moravě se našla celá řada míst spojených s lovci těchto srstnatých tvorů, v Čechách jich bylo nula. Až do doby, než začal dozorový výzkum při stavbě justičního paláce v Ústí nad Labem. Detaily popisuje v rozhovoru archeolog Dominik Chlachula.
10. 10. 2026‌‌

Mnohým AI chybí dostatečná opatření při dotazech vztažených k terorismu, varuje zpráva

Mnoho modelů umělé inteligence (AI) nemá dostatečné bezpečnostní mechanismy proti žádostem o „pomoc při teroristické operaci“, uvádí iniciativa Tech Against Terrorism v páteční zprávě.
9. 10. 2026‌‌

Za padesát let zmizely tři čtvrtiny volně žijících obratlovců

Populace volně žijících obratlovců klesly v letech 1970 až 2022 v průměru o 73 procent. Největšími hrozbami pro tyto živočichy jsou ztráta a degradace stanovišť, nadměrné využívání přírodních zdrojů, klimatická změna, znečištění, invazní druhy nebo nemoci. Nejhůře jsou na tom sladkovodní populace živočichů, které poklesly průměrně o 85 procent. Vyplývá to ze Zprávy o stavu planety 2026 (Living Planet Report).
9. 10. 2026‌‌

Emise skleníkových plynů za poslední dekádu měly dopad na sílu veder v Evropě, ukazuje studie

Když Evropu zasáhne mimořádná vlna veder, dokážou klimatologové poměrně dobře stanovit, jakou roli v ní sehrála člověkem způsobená změna klimatu. Nedávno publikovaná studie si ale klade mnohem složitější otázku – dá se v konkrétní vlně veder rozeznat vliv části skleníkových plynů, konkrétně těch, které lidstvo vypustilo teprve během posledních deseti let?
9. 10. 2026‌‌

AI vyřešila stovky matematických problémů, tvrdí OpenAI. Vědci protestují

Společnost OpenAI zaměřená na výzkum a vývoj umělé inteligence (AI) zveřejnila rozsáhlou sbírku matematických výpočtů, které vytvořil její nový interní model. Podle deníku The New York Times (NYT) výsledky na jednu stranu odhalují, čeho jsou nejpokročilejší modely AI schopny, ale vyvolávají i otázku, do jaké míry se výsledky opírají o práci skutečných matematiků. Překotný vývoj AI také vyvolává obavy, že firmy technologii vyvíjejí rychleji, než se změně dokáže přizpůsobit akademické prostředí.
8. 10. 2026‌‌

Rakovina dutiny ústní zabije ročně stovky Čechů. Člověk ji může odhalit sám, radí stomatolog

Stovky lidí ročně zbytečně zemřou na rakovinu dutiny ústní, hlavně proto, že se s touto diagnózou dostanou k lékaři pozdě. Ve skutečnosti mohou ale hodně udělat sami, tento nádor se dá totiž odhalit i pomocí samovyšetření. Včasný záchyt je pro toto zhoubné onemocnění klíčový, říká v rozhovoru pro ČT24 přednosta Stomatologické kliniky FN Plzeň Lukáš Hauer.
8. 10. 2026‌‌

Větrné elektrárny mohou ochlazovat mořskou hladinu, ukázal výzkum

Spočítat dopady větrných elektráren na okolí není úplně snadné – zejména na moři, kde existuje spousta nejrůznějších vlivů, jejichž dopady komplikují vyhodnocení. Teď přišli s kvalifikovanými odhady experti ze Skotska.
8. 10. 2026‌‌

Evropský pohled

ČT24 každý den vybírá z obsahu publikovaného evropskými veřejnými médii, členy Eurovize.