量子物理学家在奇特实验中发现“负时间”

在量子物理的领域，科学家们常常会遇到一些看似荒谬的现象，这些现象挑战了我们对现实的理解。比如，原子和分子有时表现得像粒子，有时又像波动；粒子之间可以通过一种被称为“超距作用”的神秘力量相互关联，即使它们相距甚远；而量子物体甚至可以像《爱丽丝梦游仙境》中的切莎猫那样，与自身的特性完全脱离。近期，由多伦多大学的丹妮拉·安古洛领导的研究团队揭示了另一个令人惊奇的量子现象：光子，作为光的波粒二象性的体现载体，可以在经过冷却原子云时消耗“负时间”。换句话说，光子似乎能够在进入材料之前就已经离开，似乎挑战了我们对时间的基本认识。

多伦多大学的物理学家艾弗拉希姆·斯坦伯格在社交媒体平台X上发布了关于这项新研究的帖子，他提到：“光子消耗了正的时间，但我们的实验观察到光子可以让原子在激发态中显得消耗了负时间！”该研究于9月5日上传至预印本服务器arXiv.org，目前尚未经过同行评审。

这一工作的灵感源于2017年，当时斯坦伯格和他的实验室同事、博士生约西亚·辛克莱对光与物质的相互作用产生了浓厚的兴趣，尤其关注一种称为原子激发的现象。在这个过程中，光子穿过介质并被吸收，导致围绕原子的电子跃迁到更高的能级。当这些激发态的电子回到原始状态时，它们会以重新发射的光子形式释放所吸收的能量，这一过程引入了光通过介质的观测时间延迟。

辛克莱的团队希望测量这种时间延迟（技术上称为“群延迟”），并了解它是否依赖于光子的命运：光子是在原子云内部被散射和吸收，还是在没有任何相互作用的情况下通过？辛克莱回忆道：“当时，我们对答案并不确定，我们认为这个基础性的问题应该容易回答。但随着与越来越多人的交流，我们意识到虽然每个人都有自己的直觉或猜测，但并没有达成专家共识。”由于这些延迟的性质往往奇特且反直觉，一些研究者甚至认为这一现象对描述与光相关的任何物理属性几乎没有意义。

经过三年的策划，辛克莱的团队终于开发出一种实验设备来检验这个问题。他们的实验涉及将光子射穿超冷铷原子云，并测量由此引起的原子激发程度。实验中出现了两个令人意外的结果：有时光子毫发无损地通过，但铷原子却依然激发，激发的持续时间与光子被吸收时的时间完全相同。更为奇怪的是，当光子被吸收后，它们似乎几乎瞬间被重新发射，甚至在铷原子返回基态之前，仿佛光子的离开速度比预期还要快。

为了对此现象进行解释，该团队与澳大利亚格里菲斯大学的理论物理学家霍华德·维斯曼展开了合作。最终，他们提出的理论框架表明，这些被传输光子在原子激发状态所消耗的时间与光所获得的预期群延迟之间存在完美的匹配，即使在某些情况下，看起来光子似乎在原子激发消退之前被重新发射。

为了理解这一看似荒谬的发现，可以将光子视作模糊的量子物体，任何给定光子的吸收和重新发射并不保证在固定的时间内发生，而是发生在一个模糊的、概率性的时间范围内。正如实验所示，这些时间值可以包含个别光子的传输时间为瞬时的情况，甚至更离奇的是，当光子在原子激发结束之前完成传输时，会导致负值的出现。

辛克莱对此表示：“我可以向你保证，我们对这个预测完全感到惊讶。”他提到群延迟与传输光子在原子激发中所消耗的时间之间的匹配。“当我们确信没有犯错后，斯坦伯格和其他团队成员——此时我已转到麻省理工学院做博士后——开始计划后续实验，以测试这个关于负停留时间的疯狂预测，看看理论是否成立。”

安古洛领导的后续实验可以通过考虑光子传输的两种方式来理解。在一种情况下，光子“蒙住了眼睛”，完全忽视了原子，甚至没有打个招呼；在另一种情况下，光子与原子相互作用，将其提升到更高的能级，然后被重新发射。斯坦伯格指出：“当你看到一个被传输的光子时，你无法确定发生了哪种情况。”因为光子是量子粒子，在量子领域中，两种结果可以处于叠加状态，即这两件事情可以同时发生。“测量设备最终会处于测量零与测量某个小的正值的叠加状态。”但这也意味着有时“测量设备会处于一种看似不是‘零’加上‘某个正值’，而是‘零’减去‘某个正值’的状态，从而导致这一激发时间的值看起来是错误的，即负值。”

安古洛及其同事的实验结果表明，当光子激发原子时，它们在介质中的移动速度比原子保持在基态时更快。值得注意的是，这一现象并不违反爱因斯坦狭义相对论所设定的“没有任何东西可以以超光速传播”的限制，因为光子并没有传递任何信息。

辛克莱解释说：“负时间延迟可能看起来悖论重重，但这意味着，如果你建立一个‘量子’时钟来测量原子在激发态中花费的时间，在某些情况下，时钟指针会向后而不是向前移动。”换句话说，光子被原子吸收的时间是负的。

尽管这一现象令人惊讶，它并未改变我们对时间本身的理解，但它再次证明了量子世界依然充满惊喜。辛克莱表示：“[安古洛]和团队的其他成员取得了令人印象深刻的成就，产生了一组美丽的测量结果。他们的结果引发了关于光子在吸收介质中旅行历史的有趣问题，并需要重新解释光学中群延迟的物理意义。”

这一发现为量子物理学领域增添了新的维度，同时也激发了科学界对光子行为的新思考。我们在探索量子世界的过程中，逐渐揭开了许多神秘面纱，让我们期待未来更多的发现与突破。