Der seltsame Fall der „negativen Zeit“, der im Labor beobachtet wurde

In der klassischen Physik wird der Begriff der Zeit mit einer Richtung assoziiert, die als „Pfeil der Zeit“ bezeichnet wird und von der Vergangenheit in die Zukunft weist. Dieses Verhalten hängt mit der Zunahme der Entropie zusammen, weshalb Zeitintervalle erwartungsgemäß immer positiv sind. In der Quantenmechanik verhält es sich jedoch anders, da sich der Begriff „Zeit“ dort etwas von dem in klassischen Systemen unterscheidet. Aus diesem Grund entsteht die Vorstellung von „negativer Zeit“, auch wenn dies kontraintuitiv erscheint.

In der Quantenmechanik ist die Zeit ein Parameter, der die Entwicklung eines Systems beschreibt, und es gibt zeitbezogene Definitionen, die mit bestimmten Prozessen verbunden sind, wie beispielsweise Verzögerungszeiten, Verweildauern oder Durchlaufzeiten. In bestimmten Zusammenhängen können diese Größen negative Werte annehmen, insbesondere bei Interferenz- und Streuprozessen. Der Effekt der „negativen Zeit“ in der Quantenmechanik steht bei korrekter Interpretation im Einklang mit den Gesetzen der Physik.

Ein kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichtes Experiment untersuchte ein seit den 1990er Jahren bekanntes Phänomen im Zusammenhang mit der Ausbreitung von Photonen. In bestimmten Systemen deuten Messungen darauf hin, dass Photonen beim Durchqueren eines Bereichs negative Verzögerungszeiten aufweisen können, was darauf hindeutet, dass sie diesen verlassen, bevor sie ihn „betreten“. Das aktuelle Experiment zeigte Übereinstimmung zwischen verschiedenen Messungen, was die Gültigkeit des Ergebnisses untermauert. Auch wenn es paradox erscheinen mag, stimmt das Phänomen mit den theoretischen Erwartungen überein.

Photonen, die in die Vergangenheit reisen

Experimente mit Photonen in bestimmten Medien zeigen zeitliche Verhaltensweisen, die auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinen. In einem typischen System durchläuft ein Lichtimpuls eine Wolke aus Rubidiumatomen, deren Energieniveaus mit der Energie des Photons in Resonanz stehen. Wenn die Niveaus resonant sind, bedeutet dies, dass die Energie des Photons vorübergehend von den Atomen absorbiert und anschließend wieder emittiert werden kann. Dieser Vorgang legt nahe, dass das Photon für eine gewisse Zeit im Medium „verbleibt“. Damit Resonanz auftreten kann, muss das Photon eine genau definierte Energie haben.

Wenn diese Photonen mit der Wolke in Wechselwirkung treten, werden die meisten von ihnen, nachdem sie Energie an die Atome abgegeben haben, gestreut und in zufälligen Richtungen wieder emittiert. Einem kleinen Teil gelingt es, das Medium zu durchdringen, ohne gestreut zu werden. Bei der Analyse der durchschnittlichen Ankunftszeit dieser Photonen scheint es, als würden sie früher als erwartet eintreffen. Im Durchschnitt entspricht dies einer „negativen Verweildauer“ innerhalb der Wolke. Diese Interpretation legt offenbar nahe, dass das Photon die Wolke bereits verlassen hätte, bevor es in sie eingetreten ist. Dieses Verhalten wurde bereits in Experimenten seit den 1990er Jahren berichtet.

Heisenbergsche Unschärferelation

Dieses gesamte Experiment basiert auf dem sogenannten Heisenbergschen Unschärfeprinzip, das besagt, dass es eine natürliche Grenze dafür gibt, inwieweit wir bestimmte Eigenschaften eines Teilchens gleichzeitig kennen können. Diese Grenze ergibt sich nicht aus den Messgeräten oder den Messungen selbst, sondern ist der Natur innewohnend. In der Quantenwelt haben Teilchen nicht für alles gleichzeitig vollständig definierte Werte. Mit anderen Worten: Diese Werte existieren einfach nicht exakt und gleichzeitig, sondern nur als Wahrscheinlichkeiten.

Einfacher ausgedrückt bedeutet dies: Je mehr man versucht, eine Eigenschaft zu „fixieren“, desto unbestimmter wird die andere. Ganz gleich, wie fortschrittlich die eingesetzte Technologie oder Methode auch sein mag – diese Grenze wird immer bestehen bleiben. Der Grund dafür ist, dass auf Quantenebene das Konzept eines Teilchens, das zu jedem Zeitpunkt genau definierte Eigenschaften aufweist, gar nicht zutrifft. Stattdessen verhalten sich Teilchen bis zu ihrer Messung probabilistisch.

Neue Studie

In einem kürzlich durchgeführten Experiment wurde diese „negative Zeit“ in Quantensystemen anhand von Photonen untersucht, die mit einer Atomwolke in Wechselwirkung traten. Um das System nicht zu stören, wandten die Forscher eine Technik der schwachen Messung an, die es ermöglicht, Informationen zu gewinnen, ohne den Quantenzustand vollständig zu kollabieren. Anstatt das Photon direkt zu messen, wurde ein unabhängiger, schwacher Laserstrahl verwendet, um den Zustand der Atome zu untersuchen. Geringfügige Schwankungen in diesem Strahl zeigten an, ob die Atome durch den Durchgang des Photons angeregt worden waren.

Die Ergebnisse zeigten, dass die mit dieser Technik gemessene Verweildauer exakt mit der „negativen Zeit“ übereinstimmt, die aus der durchschnittlichen Ankunftszeit der Photonen abgeleitet wurde. Diese Übereinstimmung zwischen zwei unabhängigen Zeitdefinitionen war unerwartet. Die Tatsache, dass beide Ansätze auf denselben negativen Wert hinauslaufen, deutet darauf hin, dass der Effekt auf einer soliden physikalischen Grundlage beruht. Dennoch bedeutet dies keine Verletzung der Kausalität oder Zeitreisen.

Warum lässt sich das nicht messen?

Ein weiteres Problem, das bei Experimenten mit Quantensystemen auftritt, ist die Messung. In der Quantenmechanik stört die direkte Messung der Position von Photonen während ihrer Wechselwirkung mit Atomen das System. Dies geschieht, weil jeder Messvorgang den Quantenzustand sowohl des Photons als auch der Atome verändert. Durch den Versuch, das Photon im Medium zu lokalisieren, verändert die Messung dessen Ausbreitungsdynamik. Infolgedessen hört das Phänomen selbst auf, in seiner ursprünglichen Form zu existieren.

Aus diesem Grund ist es nicht möglich, die Flugbahn eines Photons kontinuierlich zu verfolgen, ohne das Ergebnis des Experiments zu beeinflussen. Daher hat sich die Gruppe auf eine Technik spezialisiert, die einen Prozess nutzt, der das System nur sehr schwach stört und keinen Zusammenbruch verursacht, wie dies bei anderen Techniken der Fall sein könnte. Dennoch liefern diese Ansätze lediglich Durchschnittswerte und keine genau definierten Flugbahnen.

Quellenhinweis:

Angulo et al. 2026 Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted Physical Review Letters