Trong thế giới vi mô, khi các nhà khoa học bắn các photon (hạt ánh sáng) xuyên qua một đám mây cấu tạo từ các nguyên tử Rubidium, một hiện tượng gọi là "cộng hưởng" sẽ xảy ra.
Các nguyên tử Rubidium có thể hấp thụ năng lượng của photon, khiến nguyên tử bị kích thích và giữ hạt ánh sáng đó lại một khoảng thời gian (gọi là thời gian lưu trú) trước khi giải phóng nó ra.
Theo Nguyên lý bất định Heisenberg, nếu chúng ta biết rất rõ năng lượng của hạt photon để kích hoạt quá trình cộng hưởng, thì thời gian xuất hiện của nó sẽ bị mờ nhòe. Chúng ta không thể biết chính xác thời điểm một photon đi vào đám mây, mà chỉ tính được thời gian vào trung bình của nó.
Thông thường, phần lớn photon sẽ bị hấp thụ rồi bắn ra theo các hướng ngẫu nhiên. Nhưng với những photon may mắn đi thẳng một mạch xuyên qua đám mây để đến đích, các nhà khoa học đã đo được một kết quả kinh ngạc: Thời gian chạm vạch đích của chúng sớm hơn rất nhiều so với tính toán dựa trên vận tốc ánh sáng. Toán học hiển thị rằng thời gian chúng ở trong đám mây là một con số âm!
Hiệu ứng thời gian âm này thực ra đã được quan sát từ năm 1993. Tuy nhiên, suốt hơn ba thập kỷ qua, giới vật lý học phần lớn đều hoài nghi và phớt lờ nó. Họ cho rằng đây chỉ là một ảo ảnh quang học.
Xung ánh sáng vốn dài, đám mây có thể đã hấp thụ phần đuôi và chỉ cho phần đầu của xung đi qua, tạo ra cảm giác hạt ánh sáng đến sớm hơn.
Để chấm dứt sự tranh cãi này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Toronto do nhà vật lý Aephraim Steinberg dẫn đầu đã quyết định làm một việc chưa từng có: Quan sát các nguyên tử xem photon đã ở lại với chúng bao lâu.
Cái khó là trong cơ học lượng tử, việc quan sát luôn làm thay đổi kết quả. Nếu các nhà khoa học nhìn quá chăm chú vào các nguyên tử để xem chúng có đang bị kích thích hay không, họ sẽ vô tình phá vỡ mối liên kết lượng tử giữa nguyên tử và photon. Hiện tượng này được gọi là "Hiệu ứng Zeno lượng tử".
Để giải quyết, các nhà khoa học áp dụng kỹ thuật "Đo lường yếu". Họ chiếu một tia laser phụ cực kỳ nhẹ nhàng qua đám mây để thăm dò những thay đổi rất nhỏ mà không làm xáo trộn hệ thống.
Một lần đo đơn lẻ chỉ cho ra kết quả mờ nhạt, nhưng khi lặp lại và lấy trung bình cộng của hàng triệu lần thử nghiệm, họ đã có được câu trả lời chính xác.
Kết quả là các nguyên tử Rubidium đã xác nhận: Thời gian chúng ở trạng thái bị kích thích đúng bằng con số âm mà hạt photon hiển thị. Bản thân giá trị âm thu được từ phép đo yếu này hoàn toàn không thể giải thích bằng giả thuyết "lọc xung ánh sáng" như trước đây.
Thí nghiệm này hoàn toàn được giải thích bằng các định luật vật lý tiêu chuẩn chứ không hề phá vỡ dòng chảy thời gian của vũ trụ vĩ mô. Không có thông tin hay vật chất nào thực sự được gửi về quá khứ để thay đổi lịch sử.
Dù vậy, nghiên cứu này có ý nghĩa vô cùng to lớn. Nó chứng minh rằng "thời gian âm" không phải là một lỗi toán học hay một ảo ảnh đánh lừa thị giác. Đó là một hiệu ứng vật lý có thật, hoàn toàn có thể đo lường và định lượng được trong thế giới lượng tử.
