Um experimento concluído por uma equipe da Universidade de Toronto, no Canadá, e da Universidade Griffith, na Austrália, mostrou que quando os fótons passam por um "tráfego" atômico composto de átomos frios de rubídio, eles podem na verdade "partir tarde e chegar mais cedo", o que é estatisticamente equivalente a experimentar um "tempo negativo" no meio atômico. Os pesquisadores descobriram, por meio de medições precisas, que os fótons que foram os primeiros a chegar ao detector no pulso de luz geral teriam um tempo de residência médio “negativo” se fossem rastreados até sua permanência na nuvem atômica. Este resultado destaca ainda mais a estranheza e ambiguidade do conceito de tempo na escala quântica.

Na intuição clássica, a velocidade de propagação da informação no vácuo é fixada em cerca de 300.000 quilômetros por segundo, que é a chamada “velocidade limite” de causa e efeito; os fótons, como partículas/ondas sem massa, também devem obedecer estritamente a esse limite superior no vácuo. Quando um meio como os átomos é introduzido no caminho de propagação, os fótons se dispersarão ou interagirão com os átomos, fazendo com que o pulso geral pareça estar "desacelerado", mas isso geralmente é entendido como significando que o caminho é tortuoso, em vez de um verdadeiro avanço na velocidade causal. Intuitivamente, as pessoas esperam que, quando um pulso de luz passa por um meio atômico, seja como o fluxo do trânsito na hora do rush, com os “madrugadores” chegando cedo e os “retardatários” chegando atrasados. A forma geral apenas se moverá para trás no eixo do tempo.

No entanto, desde a década de 1990, os físicos experimentais relataram sucessivamente um fenômeno contra-intuitivo: comparando um pulso de luz viajando no vácuo com um pulso de luz passando através de um meio, às vezes o "pico" do pulso no meio atinge o detector antes do pico no vácuo. Isso não significa que qualquer fóton corre mais rápido do que no vácuo, mas que a forma geral do pulso é “remodelada” no meio, fazendo com que o “pico” estatístico avance. Uma explicação é que a interação entre fótons e átomos lança estatisticamente uma "sombra" semelhante, alterando a distribuição do pulso de saída, fazendo com que os fótons originalmente concentrados no meio se desloquem para a frente, fazendo com que o pico "salte para frente".

Nas pesquisas mais recentes, os cientistas esperam eliminar a interferência dessa “remodelação macroscópica” e avaliar diretamente as características temporais dos fótons no meio a partir de um nível mais microscópico. Para este fim, a equipe não se limitou a observar as formas de onda de entrada e saída dos pulsos de luz, mas passou a “observar” a nuvem de átomos de rubídio em temperatura ultrabaixa. Ao medir a duração do estado excitado depois que os átomos foram excitados, eles inferiram indiretamente “por quanto tempo” os fótons que interagiram com ele permaneceram no meio. Este tipo de medição é extremamente sensível e requer um grande número de experimentos repetidos para calcular a média da interferência do ruído ambiental no delicado comportamento quântico dos átomos para obter resultados estatísticos confiáveis.

A análise mostra que, do ponto de vista estatístico, os fótons que “chegam cedo” no pulso geral correspondem aos resultados de medição que experimentaram “tempo negativo” no meio atômico. Isto certamente não significa que eles realmente tenham caído em algum tipo de buraco de minhoca e “viajado” de volta do futuro, nem que quaisquer leis causais tenham sido violadas; os físicos enfatizaram que durante esse processo, a estrutura do espaço-tempo não foi destruída e a ordem causal permaneceu consistente. O que é realmente “esticado” é a própria quantidade física de tempo no nível quântico. Assim como outros observáveis ​​quânticos, ele mostra as características de nuvens difusas e de probabilidade em escalas finas.

A estrutura teórica por trás disso ainda é inseparável do princípio da incerteza de Heisenberg: quando você mede certas quantidades físicas (como energia) com precisão extremamente alta, as quantidades incertas emparelhadas (como o tempo) são forçadas a se tornarem mais confusas. Durante a interação entre fótons e átomos, os níveis de energia de ambas as partes aparecem em um estado semelhante à “ressonância”, assim como um pai empurrando um balanço em um ritmo apertado; neste caso, a energia pode ser definida com extrema precisão, enquanto a dimensão do tempo é forçada a relaxar e os resultados da medição são "manchados" nas flutuações quânticas, de modo que valores anormais como "tempo negativo" podem aparecer estatisticamente. Por outras palavras, o chamado “tempo negativo” não significa que a luz realmente ande para trás, mas que o tempo pode entrar na distribuição de probabilidade de uma forma não clássica ao nível quântico, dando assim leituras além da experiência diária sob certas condições.

A equipe de pesquisa apontou que se for possível confirmar em experimentos semelhantes no futuro se esses fótons "tardios" no pulso "carregam" o "excedente de tempo" correspondente, será esperado que se trate ainda mais do papel exato da incerteza quântica neste fenômeno. Uma vez aperfeiçoadas essas experiências, os cientistas serão capazes de delinear mais claramente como o tempo funciona no mundo quântico e espera-se que avancem na nossa compreensão de questões fundamentais, como a transmissão de informação quântica e a interacção luz-matéria. O que pode ser mais ressonante para os trabalhadores comuns de escritório é que esta pesquisa fornece pelo menos uma “desculpa cerebral” no nível físico: se um dia você se atrasar novamente, quem não quer dizer ao chefe: “Desculpe, experimentei uma pequena incerteza quântica no caminho”?