物理学家在实验室中测量出了“负时间”

光子直线穿过气体云时，平均而言，它们似乎先于进入气体云而先离开。

正如荷马史诗中所述，奥德修斯克服重重困难，从特洛伊一路跋涉回到家乡伊萨卡。他游历了许多地方，但大部分时间都与仙女卡吕普索居住在她的岛屿上。

我们可以想象，他的妻子佩涅洛佩会问起他那段时间的经历。奥德修斯可能会回答说：“没什么。实际上，比没什么还少。我和卡吕普索一起生活了五年。不然我怎么可能只用了十年就回家了？如果你不信，去问问她。”

事实证明，量子粒子和奥德修斯一样狡猾，我和我的同事在《物理评论快报》上发表的一项实验就证明了这一点。它们的到达时间不仅可以表明它们与其他粒子共存的时间是负数，而且如果你询问那些其他粒子，它们也会证实这一说法。

与原子共存的光子

我们的实验利用了光子——光的量子粒子——以及它们必须克服重重困难才能径直穿过铷原子云的旅程。

这些原子与光子存在“共振”，这意味着光子的能量可以暂时以原子激发的形式传递给原子。这使得光子能够在原子云中“停留”一段时间，然后再被释放出来。

要使这种共振有效，光子必须具有明确的能量，与使铷原子处于激发态所需的能量相匹配。

但是，根据海森堡著名的不确定性原理，如果光子的能量是确定的，那么它的时间必然是不确定的：光子所占据的光脉冲必然具有较长的持续时间。这意味着我们无法精确地知道光子何时进入云层，但我们可以知道它平均何时进入。

如果将这样的光子射入云层，最可能的结果是它的能量会传递给原子，然后以随机方向重新发射的光子形式出现。在这种情况下，光子会被散射，无法到达其预定的目的地。

但如果光子真的能直接穿过云层，就会发生一件奇怪的事情。根据光子进入云层的平均时间，可以计算出它到达云层另一侧的预期平均时间，假设它以光速传播（就像光子通常那样）。

研究发现，光子实际到达的时间远早于此。事实上，它到达得如此之早，以至于在云层内部停留的时间似乎为负值——平均而言，它先离开云层，然后才进入云层。

这种效应已经为人所知数十年，并在1993年的一项实验中被观察到。但物理学家们大多决定不认真对待这段负面时间。

这是因为可以解释为，只有长脉冲的最前端能够直接穿过原子云，而其余部分则被散射。这导致一个未被散射的光子比人们通常预期的更早到达。

然而，1993年那篇论文的作者之一艾弗雷姆·斯坦伯格并不轻易接受这种将负时间视为人为现象的说法。在多伦多大学的实验室里，他想探究如果向电子云中的铷原子发出信号，以确定光子作为激发态在它们之间停留的时间，会发生什么。在最初的实验结果不确定之后，他向我这位量子理论家寻求帮助，希望我能预测一下实验结果。

当我们谈到对原子进行查询时，其实际含义是在光子穿过原子云的过程中，持续对原子进行测量，以探测光子的能量是否当前存在于原子云中。但这里存在一个微妙之处：量子物理中的测量不可避免地会扰乱被测系统。

如果我们精确测量光子是否存在于原子中，那么在每个瞬间，我们都会阻止原子与光子相互作用。这就好比，仅仅通过密切监视卡吕普索，我们就能阻止她抓住奥德修斯（反之亦然）。这就是著名的量子芝诺效应，它会破坏我们想要研究的现象本身。

解决方案是进行一次精度很低（但校准仍然非常精确）的测量。这是为了将干扰降至可忽略不计而必须付出的代价。具体来说，我们向原子云发射了一束与单光子脉冲无关的弱激光束，并测量了光束相位的微小变化，以此来探测原子是否被激发。

任何一次实验只能非常粗略地表明光子是否在原子中停留，但对数百万次实验结果取平均值可以得出精确的停留时间。

令人惊讶的是，当光子直接穿过云层时，这种微弱的停留时间测量结果竟然与光子平均到达时间所暗示的负值完全相等。在我们开展这项工作之前，没有人想到这两个用完全不同的方法测量的时间竟然会相等。

关键在于，弱测量停留时间的负值不能通过想象只有光子脉冲的前沿通过来解释，这与从到达时间推断出的时间不同。

这一切意味着什么？时光机是不是即将问世？

很遗憾，并非如此。我们的实验完全可以用标准物理学来解释。

但这确实表明负停留时间并非人为因素。尽管这看似矛盾，但它确实对光子穿过的原子云产生可直接测量的影响。这也提醒我们，在量子研究这条漫长的探索之路上，仍有许多未知领域等待我们去发现。

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