量子物理學家奇特實驗竟發現“負時間”！

量子物理學家對那些稀奇古怪、看似荒誕的現象並不陌生：原子和分子有時表現爲粒子，有時表現爲波；粒子能夠憑藉一種“遠距離幽靈作用”相互關聯，哪怕距離十分遙遠；量子物體能夠像《愛麗絲夢遊仙境》裡的柴郡貓與它的笑容分離那樣脫離自身的屬性。現在，由多倫多大學的丹妮拉·安古洛領導的研究人員揭示了另一個奇怪的量子結果：光子，即具有波粒二象性的光，在穿過一團冷卻的原子雲時，所花費的時間可能爲負。換句話說，光子似乎在進入一種物質之前就離開了。

“這花費了正的時間，不過我們觀察到光子能讓原子在激發態似乎花費*負*時間的實驗成功啦！”多倫多大學的物理學家埃弗拉姆·斯坦伯格在X（原推特）的一篇帖子中寫道，關於這項新研究，該研究於 9 月 5 日上傳至預印本服務器 arXiv.org，尚未經過同行評審。

這項工作的構想於 2017 年產生。當時，斯坦伯格和實驗室的一位同事，當時的博士生約西亞·辛克萊，對光與物質的相互作用感興趣，特別是一種稱爲原子激發的現象：當光子穿過一種介質並被吸收時，在該介質中圍繞原子旋轉的電子躍遷至更高的能級。當這些被激發的電子迴歸到原始狀態時，它們會以重新發射光子的形式釋放所吸收的能量，進而在觀察到的光通過介質的傳輸時間裡造成了時間延遲。

辛克萊的團隊想要測量那個時間延遲（有時在技術上被稱作“羣延遲”），並且弄清楚它是否取決於那個光子的命運：它是在原子雲中散射和吸收，還是在沒有任何相互作用的情況下傳輸？“當時，我們不確定答案是什麼，我們覺得這樣一個關於如此基礎的東西的基本問題應該很容易回答，”辛克萊說。“但我們與越多的人交談，就越意識到，雖然每個人都有自己的直覺或猜測，但對於正確答案是什麼並沒有專家共識。”由於這些延遲的性質可能非常奇怪和違反直覺，一些研究人員認爲這種現象對於描述與光相關的任何物理性質實際上毫無意義。

歷經三年規劃，他的團隊在實驗室研製出了一種裝置用於測試這個問題。他們的實驗是讓光子穿過一團超冷的銣原子雲，然後測量由此產生的原子激發程度。實驗中出現了兩大驚喜：有時光子會毫髮無損地通過，然而銣原子仍會被激發，並且激發的時長與它們吸收那些光子時相同。更爲奇怪的是，當光子被吸收時，它們似乎幾乎在瞬間就被重新發射出來，遠遠早於銣原子回到基態——就彷彿平均來看，光子離開原子的速度超出了預期。

隨後，該團隊與澳大利亞格里菲斯大學的理論和量子物理學家霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）合作，想出了一種解釋。出現的這一理論框架表明，這些傳輸的光子作爲原子激發所耗費的時間與光所獲得的預期羣延遲完全相符——即便在看似光子在原子激發減弱之前就被重新發射的情形下也是如此。

要搞懂這一莫名其妙的發現，您可以將 光子看作是模糊的量子物體，任何一個給定的光子通過原子激發進行的吸收和再發射，都無法保證在某個固定的時間內發生；相反，它會在一個模糊不清、具有概率性的時間值範圍內發生。就像該團隊的實驗表明的那樣，這些值可能包括單個光子的傳輸時間是瞬時的情況——或者，奇怪的是，當它在原子激發停止之前結束時，會得出一個負值。

“我可以跟您保證，我們對這個預測那是完全感到驚訝，”辛克萊說，他指的是羣延遲和傳輸光子作爲原子激發所耗費的時間之間的匹配情況。“而且一旦我們確信自己沒犯錯，斯坦伯格和團隊的其他成員——這時候我已經去[麻省理工學院]做博士後了——就開始打算做後續實驗，以測試這個關於負停留時間的瘋狂預測，看看這個理論是否成立。”

那次後續實驗，就是斯坦伯格在 X 上誇讚的由安古洛領導的實驗，可以通過考慮光子傳輸的兩種方式來理解。一種是，光子就像戴了眼罩似的，完全不理會原子，甚至連頭都不點就離開了。另一種是，它與原子相互作用，將其提升到更高的能量水平，然後再被重新發射。

“當你觀測到一個傳輸中的光子時，”斯坦伯格說，並補充道，因爲光子是量子領域中的量子粒子，這兩種結果可能處於疊加態，即兩種情況能夠同時出現。“測量設備最終處於測量值爲零和某個小正值的疊加態。”但相應地，斯坦伯格表示，這也意味着有時“測量設備最終處於一種看起來並非是‘零’加‘某個正值’，而是‘零’減‘某個正值’的狀態，導致這個激發時間看起來呈現出錯誤的符號，也就是負值。”

安古洛及其同事們所做實驗的測量結果表明，當光子激發原子時，其在介質中的移動速度要比原子處於基態時更快。（光子沒有傳遞任何信息，所以這個結果並不違背愛因斯坦狹義相對論所設定的“沒有什麼能比光速更快”的速度限制。）

“負的時間延遲或許看起來自相矛盾，但這意味着倘若你構建一個‘量子’時鐘來測量原子處於激發態的時間，在某些情況下，時鐘指針會向後移動而不是向前移動，”辛克萊說。換句話說，光子被原子吸收的時間是負的。

儘管這一現象令人稱奇，但它對我們對於時間本身的理解並無影響——但它的確再次表明，量子世界仍藏有驚喜

“[安古洛]和團隊的其他成員完成了一項極爲令人矚目的工作，並獲取了一組出色的測量結果。他們的結果引出了有關光子穿過吸收介質的歷史的有趣問題，並且需要對光學中羣延遲的物理意義進行重新闡釋，”辛克萊說道。

本文的一個版本最初見於Spektrum der Wissenschaft，且經許可予以轉載。