量子物理学家在奇怪的实验中发现“负时间”

物理学家表明，光子似乎可以在进入材料之前就离开材料，揭示了负时间的观测证据

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量子物理学家熟悉奇怪的、看似荒谬的现象：原子有时表现为粒子，有时表现为波；粒子可以通过“远距离的幽灵作用”相互连接，即使距离很远；量子物体可以脱离它们的属性，就像《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫脱离它的笑容一样。现在，由多伦多大学的丹妮拉·安古洛 (Daniela Angulo) 领导的研究人员揭示了另一个奇怪的量子结果：光子，光的波粒，可以花费负的时间穿过冷冻原子云。换句话说，光子似乎可以在进入材料之前就离开材料。

“这花费了正数的时间，但我们的实验观察到光子可以使原子似乎在激发态下花费*负数的时间！”多伦多大学物理学家 Aephraim Steinberg 在X（以前称为 Twitter）上的帖子中写道，关于这项新研究，该研究已上传到预印本服务器 arXiv.org 9 月 5 日发布，尚未经过同行评审。

这项工作的想法出现在 2017 年。当时，斯坦伯格和一位实验室同事、当时的博士生乔赛亚·辛克莱 (Josiah Sinclair) 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：当光子穿过介质并被吸收，围绕介质中原子旋转的电子跃迁到更高的能级。当这些受激电子恢复到原始状态时，它们会以重新发射的光子的形式释放吸收的能量，从而在观察到的光穿过介质的传输时间中引入时间延迟。

辛克莱的团队想要测量该时间延迟（有时在技术上称为“群延迟”）并了解它是否取决于该光子的命运：它是在原子云内被散射和吸收，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，我们觉得这样一个基本问题应该很容易回答，”辛克莱说。 “但我们交谈的人越多，我们就越意识到，虽然每个人都有自己的直觉或猜测，但对于正确的答案是什么，专家们并没有达成共识。”由于这些延迟的性质可能非常奇怪且违反直觉，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特性实际上毫无意义。

经过三年的规划，他的团队开发了一种设备来在实验室中测试这个问题。他们的实验涉及通过超冷铷原子云发射光子并测量由此产生的原子激发程度。 实验中出现了两个惊喜：有时光子会毫发无伤地穿过，但铷原子仍然会被激发——就像它们吸收了这些光子一样。更奇怪的是，当光子被吸收时，它们似乎几乎立即被重新发射，早在铷原子返回基态之前——就好像光子平均离开原子的速度比预期的要快。

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·怀斯曼合作，提出了一种解释。 出现的理论框架表明，这些传输的光子作为原子激发所花费的时间与光获得的预期群延迟完全匹配——即使在看起来光子在原子激发之前重新发射的情况下也是如此。原子激发已经减弱。

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要理解这个荒谬的发现，您可以将光子视为模糊量子物体，其中任何给定光子通过原子激发的吸收和再发射都不能保证在一定的固定时间内发生;相反，它发生在时间值的模糊概率范围内。正如该团队的实验所证明的那样，这些值可以涵盖单个光子的渡越时间是瞬时的情况，或者奇怪的是，当它在原子激发停止之前结束时，这给出了负值。

“我可以向你保证，我们对这个预测感到非常惊讶，”辛克莱说，他指的是群延迟和传输光子作为原子激发所花费的时间之间的匹配。 “当我们确信我们没有犯错时，斯坦伯格和团队的其他成员——此时我已经在[麻省理工学院]做博士后——开始计划做以下事情：进行实验来测试这种对负停留时间的疯狂预测，看看该理论是否成立。”

斯坦伯格在 X 上宣传的由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。在其中一种情况下，光子戴着某种眼罩，完全忽略了原子，甚至没有点头就离开了。另一方面，它与原子相互作用，在重新发射之前将其提升到更高的能级。

斯坦伯格说：“当你看到一个传输的光子时，你无法知道发生了哪一个。”他补充说，因为光子是量子领域中的量子粒子，所以这两个结果可以叠加——两者都是事情可以同时发生。 “测量设备最终会测量零值和测量一些小的正值的叠加。”但相应地，斯坦伯格指出，这也意味着有时“测量设备最终会处于一种看起来不像‘零’加‘正数’而是‘零’减的状态”‘积极的东西’，导致这个激励时间看起来像是错误的符号，一个负值。”

安古洛和她的同事实验的测量结果表明，当光子激发原子时，光子在介质中的移动速度比原子保持基态时的速度更快。 （光子不传递任何信息，因此结果并不违背爱因斯坦狭义相对论设定的“没有什么能比光传播得更快”速度限制。）

“负时间延迟可能看起来很矛盾，但它的意思是，如果你建造一个‘量子’时钟来测量原子处于激发态的时间，那么在某些情况下，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。

尽管这一现象令人震惊，但它并没有影响我们对时间本身的理解——但它确实再次说明，量子世界仍然充满惊喜。

“[Angulo] 和团队的其他成员已经完成了一些非常令人印象深刻的事情，并产生了一组漂亮的测量结果。他们的结果提出了关于光子穿过吸收介质的历史的有趣问题，并需要重新解释群延迟的物理意义。光学，”辛克莱说。

本文的一个版本最初出现在 Spektrum der Wissenschaft 并经许可转载。

本文首次发表于《科学美国人》。 © ScientificAmerican.com。版权所有。 关注 TikTok 和 Instagram、X 和 Facebook。