量子物理學家對古怪的、看似荒謬的現象並不陌生：原子和分子有時表現得像粒子，有時又像波；粒子之間可以透過“幽靈般的超距作用”相互連線，即使距離很遠；量子物體可以將其自身與其屬性分離，就像《愛麗絲夢遊仙境》中的柴郡貓將其笑容分離一樣。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異的量子結果：光子，光波粒子，可以在穿過冷卻原子雲時花費負時間。換句話說，光子似乎可以在進入材料之前就離開材料。
“實驗花費了正的時間，但我們觀察到光子可以使原子看起來在激發態花費 *負* 時間的實驗已經完成！” 多倫多大學的物理學家埃弗雷姆·斯坦伯格在 X（前身為 Twitter）上釋出了一篇關於這項新研究的帖子中寫道，該研究於 9 月 5 日上傳到預印本伺服器 arXiv.org，尚未經過同行評審。
這項工作的想法出現在 2017 年。當時，斯坦伯格和他的實驗室同事，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，特別是被稱為原子激發的一種現象：當光子穿過介質並被吸收時，在該介質中圍繞原子旋轉的電子會躍遷到更高的能級。當這些受激電子回到它們的原始狀態時，它們會釋放吸收的能量，重新發射光子，從而在光透過介質的觀測傳輸時間中引入時間延遲。
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辛克萊的團隊想要測量這種時間延遲（有時在技術上稱為“群延遲”），並瞭解它是否取決於光子的命運：它是在原子雲內部被散射和吸收，還是在沒有任何相互作用的情況下被透射？ “當時，我們不確定答案是什麼，我們覺得關於如此基本的問題應該很容易回答，”辛克萊說。“但是，我們與越多的人交談，我們就越意識到，雖然每個人都有自己的直覺或猜測，但對於正確的答案應該是什麼，並沒有專家共識。” 因為這些延遲的性質可能非常奇怪且違反直覺，所以一些研究人員認為這種現象實際上對於描述與光相關的任何物理性質來說都是沒有意義的。
經過三年的計劃，他的團隊開發了一種儀器在實驗室中測試這個問題。他們的實驗包括將光子射入超冷銣原子雲，並測量由此產生的原子激發程度。實驗中出現了兩個令人驚訝的發現：有時光子會毫髮無損地穿過，但銣原子仍然會被激發——而且激發的時間長度與它們吸收了這些光子時一樣長。更奇怪的是，當光子被吸收時，它們似乎幾乎立即被重新發射，遠在銣原子回到基態之前——就好像光子平均而言，離開原子的速度比預期的要快。
然後，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·懷斯曼合作，以設計一種解釋。出現的理論框架表明，這些透射光子作為原子激發所花費的時間與光獲得的預期群延遲完全匹配——即使在看起來光子在原子激發消退之前就被重新發射的情況下也是如此。
為了理解這種看似荒謬的發現，你可以將光子視為它們所是的模糊量子物體，其中任何給定光子透過原子激發的吸收和再發射都不能保證在某個固定的時間內發生；相反，它發生在時間值的模糊的、機率範圍內。正如該團隊的實驗所證明的那樣，這些值可以涵蓋單個光子的傳輸時間是瞬時的例項——或者，更奇怪的是，當它在原子激發停止之前結束時，這會給出一個負值。
“我可以向您保證，我們對這個預測感到非常驚訝，”辛克萊在談到群延遲與透射光子作為原子激發所花費的時間之間的匹配時說。“一旦我們確信我們沒有犯錯，斯坦伯格和團隊的其他成員——此時我已經轉到[麻省理工學院]做博士後——就開始計劃進行後續實驗，以測試這個關於負停留時間的瘋狂預測，看看該理論是否成立。”
安古洛領導的後續實驗，斯坦伯格在 X 上吹捧的那個實驗，可以透過考慮光子可以透射的兩種方式來理解。在一種方式中，光子戴上某種眼罩，完全忽略原子，甚至沒有點頭就離開了。在另一種方式中，它與原子相互作用，將其提升到更高的能級，然後再重新發射。
“當你看到一個透射光子時，你無法知道其中哪一種發生了，”斯坦伯格說，他補充說，因為光子是量子領域的量子粒子，所以這兩種結果可以處於疊加態——兩件事可以同時發生。“測量裝置最終處於測量零和測量某個小的正值的疊加態。” 但相應地，斯坦伯格指出，這也意味著有時“測量裝置最終處於一種看起來不像‘零’加上‘某個正值’的狀態，而是像‘零’減去‘某個正值’的狀態，導致看起來像是錯誤的符號，即這個激發時間的負值。”
安古洛和她的同事的實驗測量結果表明，當光子激發原子時，它們穿過介質的速度比原子保持在基態時更快。（光子沒有傳遞任何資訊，因此結果並不與愛因斯坦狹義相對論設定的“沒有什麼能比光速更快”的速度限制相矛盾。）
“負時間延遲可能看起來很矛盾，但它的意思是，如果你製造一個‘量子’時鐘來測量原子在激發態花費了多少時間，那麼在某些情況下，時鐘指標會向後而不是向前移動，”辛克萊說。換句話說，光子被原子吸收的時間是負的。
儘管這種現象令人震驚，但它對我們對時間本身的理解沒有任何影響——但它再次說明，量子世界仍然蘊藏著驚喜。
“安古洛和團隊的其他成員完成了一些非常令人印象深刻的事情，併產生了一組漂亮的測量結果。他們的結果引發了關於光子在吸收介質中傳播歷史的有趣問題，並且有必要重新解釋光學中群延遲的物理意義，”辛克萊說。
本文的一個版本最初發表在《Spektrum der Wissenschaft》雜誌上，並經許可轉載。