量子物理学家奇特实验竟发现“负时间”！

量子物理学家对那些稀奇古怪、看似荒诞的现象并不陌生：原子和分子有时表现为粒子，有时表现为波；粒子能够凭借一种“远距离幽灵作用”相互关联，哪怕距离十分遥远；量子物体能够像《爱丽丝梦游仙境》里的柴郡猫与它的笑容分离那样脱离自身的属性。现在，由多伦多大学的丹妮拉·安古洛领导的研究人员揭示了另一个奇怪的量子结果：光子，即具有波粒二象性的光，在穿过一团冷却的原子云时，所花费的时间可能为负。换句话说，光子似乎在进入一种物质之前就离开了。

“这花费了正的时间，不过我们观察到光子能让原子在激发态似乎花费*负*时间的实验成功啦！”多伦多大学的物理学家埃弗拉姆·斯坦伯格在X（原推特）的一篇帖子中写道，关于这项新研究，该研究于 9 月 5 日上传至预印本服务器 arXiv.org，尚未经过同行评审。

这项工作的构想于 2017 年产生。当时，斯坦伯格和实验室的一位同事，当时的博士生约西亚·辛克莱，对光与物质的相互作用感兴趣，特别是一种称为原子激发的现象：当光子穿过一种介质并被吸收时，在该介质中围绕原子旋转的电子跃迁至更高的能级。当这些被激发的电子回归到原始状态时，它们会以重新发射光子的形式释放所吸收的能量，进而在观察到的光通过介质的传输时间里造成了时间延迟。

辛克莱的团队想要测量那个时间延迟（有时在技术上被称作“群延迟”），并且弄清楚它是否取决于那个光子的命运：它是在原子云中散射和吸收，还是在没有任何相互作用的情况下传输？“当时，我们不确定答案是什么，我们觉得这样一个关于如此基础的东西的基本问题应该很容易回答，”辛克莱说。“但我们与越多的人交谈，就越意识到，虽然每个人都有自己的直觉或猜测，但对于正确答案是什么并没有专家共识。”由于这些延迟的性质可能非常奇怪和违反直觉，一些研究人员认为这种现象对于描述与光相关的任何物理性质实际上毫无意义。

历经三年规划，他的团队在实验室研制出了一种装置用于测试这个问题。他们的实验是让光子穿过一团超冷的铷原子云，然后测量由此产生的原子激发程度。实验中出现了两大惊喜：有时光子会毫发无损地通过，然而铷原子仍会被激发，并且激发的时长与它们吸收那些光子时相同。更为奇怪的是，当光子被吸收时，它们似乎几乎在瞬间就被重新发射出来，远远早于铷原子回到基态——就仿佛平均来看，光子离开原子的速度超出了预期。

随后，该团队与澳大利亚格里菲斯大学的理论和量子物理学家霍华德·怀斯曼（Howard Wiseman）合作，想出了一种解释。出现的这一理论框架表明，这些传输的光子作为原子激发所耗费的时间与光所获得的预期群延迟完全相符——即便在看似光子在原子激发减弱之前就被重新发射的情形下也是如此。

要搞懂这一莫名其妙的发现，您可以将 光子看作是模糊的量子物体，任何一个给定的光子通过原子激发进行的吸收和再发射，都无法保证在某个固定的时间内发生；相反，它会在一个模糊不清、具有概率性的时间值范围内发生。就像该团队的实验表明的那样，这些值可能包括单个光子的传输时间是瞬时的情况——或者，奇怪的是，当它在原子激发停止之前结束时，会得出一个负值。

“我可以跟您保证，我们对这个预测那是完全感到惊讶，”辛克莱说，他指的是群延迟和传输光子作为原子激发所耗费的时间之间的匹配情况。“而且一旦我们确信自己没犯错，斯坦伯格和团队的其他成员——这时候我已经去[麻省理工学院]做博士后了——就开始打算做后续实验，以测试这个关于负停留时间的疯狂预测，看看这个理论是否成立。”

那次后续实验，就是斯坦伯格在 X 上夸赞的由安古洛领导的实验，可以通过考虑光子传输的两种方式来理解。一种是，光子就像戴了眼罩似的，完全不理会原子，甚至连头都不点就离开了。另一种是，它与原子相互作用，将其提升到更高的能量水平，然后再被重新发射。

“当你观测到一个传输中的光子时，”斯坦伯格说，并补充道，因为光子是量子领域中的量子粒子，这两种结果可能处于叠加态，即两种情况能够同时出现。“测量设备最终处于测量值为零和某个小正值的叠加态。”但相应地，斯坦伯格表示，这也意味着有时“测量设备最终处于一种看起来并非是‘零’加‘某个正值’，而是‘零’减‘某个正值’的状态，导致这个激发时间看起来呈现出错误的符号，也就是负值。”

安古洛及其同事们所做实验的测量结果表明，当光子激发原子时，其在介质中的移动速度要比原子处于基态时更快。（光子没有传递任何信息，所以这个结果并不违背爱因斯坦狭义相对论所设定的“没有什么能比光速更快”的速度限制。）

“负的时间延迟或许看起来自相矛盾，但这意味着倘若你构建一个‘量子’时钟来测量原子处于激发态的时间，在某些情况下，时钟指针会向后移动而不是向前移动，”辛克莱说。换句话说，光子被原子吸收的时间是负的。

尽管这一现象令人称奇，但它对我们对于时间本身的理解并无影响——但它的确再次表明，量子世界仍藏有惊喜

“[安古洛]和团队的其他成员完成了一项极为令人瞩目的工作，并获取了一组出色的测量结果。他们的结果引出了有关光子穿过吸收介质的历史的有趣问题，并且需要对光学中群延迟的物理意义进行重新阐释，”辛克莱说道。

本文的一个版本最初见于Spektrum der Wissenschaft，且经许可予以转载。