O estranho caso do 'tempo negativo' que foi observado em laboratório

Na Física clássica, a noção de tempo está associada a uma direção conhecida como seta do tempo, que aponta do passado para o futuro. Esse comportamento está ligado ao aumento da entropia e, por isso, espera-se que intervalos de tempo sejam sempre positivos. No entanto, isso não é igual dentro da Mecânica Quântica onde o conceito de "tempo” é um pouco diferente do que de sistemas clássicos. Por causa disso, a ideia de “tempo negativo” acaba surgindo mesmo sendo contraintuitivo.

Na Mecânica Quântica, o tempo é um parâmetro que descreve a evolução do sistema e existem definições de tempo associadas a processos, como tempos de atraso, de permanência ou de travessia. Em certos contextos, essas quantidades podem assumir valores negativos, especialmente em fenômenos de interferência e espalhamento. O efeito de “tempo negativo” na Mecânica Quântica são consistentes com a Física quando corretamente interpretados.

Um experimento recente, publicado na Physical Review Letters, investigou um fenômeno conhecido desde a década de 1990 envolvendo a propagação de fótons. Em certos sistemas, medições indicam que os fótons podem apresentar tempos de atraso negativos ao atravessar uma região, sugerindo que eles saem antes de “entrar”. O experimento atual mostrou consistência entre diferentes medições, reforçando a validade do resultado. Apesar de parecer paradoxal, o fenômeno concorda com o que é esperando dentro da teoria.

Fótons voltando no tempo

Experimentos com fótons em alguns meios mostram comportamentos temporais que parecem contraintuitivos. Em um sistema típico, um pulso de luz atravessa uma nuvem de átomos de rubídio, que possuem níveis de energia ressonantes com a energia do fóton. Quando os níveis são ressonantes significa que a energia do fóton pode ser temporariamente absorvida pelos átomos e é reemitida. Esse processo sugere que o fóton “permanece” no meio por um certo tempo. Para que a ressonância ocorra, o fóton deve ter energia bem definida.

Quando esses fótons interagem com a nuvem, a maioria é espalhada após transferir energia aos átomos, sendo reemitida em direções aleatórias. Uma pequena fração consegue atravessar o meio sem sofrer espalhamento. Ao analisar o tempo médio de chegada desses fótons, eles parecem chegar mais cedo do que o tempo previsto. Em média, isso corresponde a um “tempo de permanência” negativo dentro da nuvem. Essa interpretação sugere, de forma aparente, que o fóton teria saído antes de entrar. Esse comportamento já havia sido reportado em experimentos desde a década de 1990.

Princípio de Heisenberg

Todo esse experimento se baseia em algo chamado Princípio da Incerteza de Heisenberg que diz que existe um limite natural para o quanto podemos conhecer certas propriedades de uma partícula ao mesmo tempo. Esse limite não acontece por causa de instrumentos ou medições, é algo intrínseco da própria natureza. No mundo quântico, as partículas não têm valores completamente definidos para tudo ao mesmo tempo. Ou seja, esses valores simplesmente não existem de forma exata simultaneamente, apenas como probabilidades.

De forma mais intuitiva, isso significa que quanto mais você tenta “fixar” uma propriedade, mais a outra fica indefinida. Não importa o quão avançada seja a tecnologia ou o método usado, esse limite sempre estará presente. Isso acontece porque, no nível quântico, a própria ideia de uma partícula com propriedades bem definidas o tempo todo não se aplica. Em vez disso, as partículas se comportam de maneira probabilística até serem medidas.

Novo estudo

Um experimento recente investigou esse “tempo negativo” em sistemas quânticos utilizando fótons interagindo com uma nuvem de átomos. Para evitar perturbar o sistema, os pesquisadores usaram uma técnica de medição fraca, que permite extrair informação sem colapsar completamente o estado quântico. Em vez de medir diretamente o fóton, foi utilizado um feixe de laser fraco independente para sondar o estado dos átomos. Pequenas variações desse feixe indicavam se os átomos haviam sido excitados pela passagem do fóton.

Os resultados mostraram que o tempo de permanência medido por essa técnica coincide exatamente com o “tempo negativo” inferido a partir do tempo médio de chegada dos fótons. Essa equivalência entre duas definições independentes de tempo foi inesperada. O fato de ambas as abordagens convergirem para o mesmo valor negativo sugere que o efeito possui uma base Física robusta. Ainda assim, não implica violação de causalidade ou viagem no tempo.

Por que é impossível medir?

Um outro problema que surge em experimentos de sistemas quânticos é a medição. Na Mecânica Quântica, medir diretamente a posição de fótons durante a interação com átomos perturba o sistema. Isso ocorre porque qualquer processo de medição altera o estado quântico do fóton e dos átomos. Ao tentar localizar o fóton dentro do meio, a medição modifica sua dinâmica de propagação. Como consequência, o próprio fenômeno deixa de existir na forma original.

Por causa disso, não é possível acompanhar continuamente a trajetória de um fóton sem alterar o resultado do experimento. Com isso, o grupo se especializou em uma técnica que usa um processo que perturba o sistema de forma muito fraca e não causa um colapso como outras técnicas podem fazer. Ainda assim, essas abordagens fornecem apenas valores médios e não trajetórias bem definidas.

Referência da notícia

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