量子物理学家熟悉那些不靠谱的、看似荒谬的现象:原子和分子有时表现为粒子，有时表现为波;粒子可以通过“幽灵般的远距离作用”相互连接，即使是在很远的距离上;量子物体可以从它们的属性中分离出来，就像柴郡猫从它的咧嘴笑中分离出来一样。现在，由多伦多大学的Daniela Angulo领导的研究人员揭示了另一个奇怪的量子结果:光子，光的波状粒子，可以花费负的时间快速穿过冷原子云。换句话说，光子似乎在进入一种物质之前就已经离开了。
多伦多大学的物理学家埃弗莱姆·斯坦伯格(Aephraim Steinberg)在X(以前的Twitter)上发表了一篇关于这项新研究的文章，文章于9月5日上传到预印本服务器arXiv.org上，尚未经过同行评议，他写道:“我们花了很多时间，但我们观察到光子可以使原子在激发态中花费的时间似乎是负数!”
这项工作的想法出现在2017年。当时，斯坦伯格和他的实验室同事、当时还是博士生的乔赛亚·辛克莱(Josiah Sinclair)对光与物质的相互作用很感兴趣，特别是一种被称为原子激发的现象:当光子穿过介质并被吸收时，在介质中围绕原子旋转的电子会跳到更高的能级。当这些激发态的电子恢复到原来的状态时，它们会将吸收的能量以光子的形式释放出来，从而在光通过介质的观测时间中引入一个时间延迟。
辛克莱的团队想要测量这种时间延迟(有时在技术上被称为“群延迟”)，并了解它是否取决于光子的命运:它是在原子云内部散射和吸收，还是在没有任何相互作用的情况下传输?辛克莱说:“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本的事物的基本问题应该很容易回答。“但与我们交谈的人越多，我们就越意识到，虽然每个人都有自己的直觉或猜测，但对于正确答案是什么，并没有专家共识。”由于这些延迟的性质可能是如此奇怪和违反直觉，一些研究人员认为这种现象对于描述任何与光有关的物理性质都是毫无意义的。
经过三年的计划，他的团队开发了一种仪器，可以在实验室里测试这个问题。他们的实验包括发射光子穿过超冷铷原子云，并测量由此产生的原子激发度。实验中出现了两个惊喜:有时光子会毫发无损地穿过，但铷原子仍然会被激发——而且持续的时间和它们吸收了光子一样长。更奇怪的是，当光子被吸收时，它们似乎在铷原子回到基态之前几乎立即被重新发射出来——就好像光子平均离开原子的速度比预期的要快。
然后，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，设计了一个解释。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美匹配——即使在看起来光子在原子激发减弱之前被重新发射的情况下也是如此。
为了理解这个荒谬的发现，你可以把光子想象成模糊的量子物体，其中任何给定的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，它发生在一个模糊的概率范围内的时间值。正如该团队的实验所证明的那样，这些值可以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，它会给出负值。
“我可以向你保证，我们对这个预测完全感到惊讶，”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——开始计划做一个后续实验来测试这个疯狂的负停留时间预测，看看这个理论是否站住脚。”
斯坦伯格在X上吹捧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。在另一种情况下，它与原子相互作用，在被重新释放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，你无法知道其中哪一个发生了。”他补充说，因为光子是量子领域的量子粒子，这两种结果可以叠加——两种事情可以同时发生。“测量装置最终在测量零和测量一些小正值的叠加中结束。”但相应地，斯坦伯格指出，这也意味着有时“测量设备最终处于一种看起来像‘零’加‘正’的状态，但又像‘零’加‘正’的状态，导致这个激励时间的符号看起来是错误的，即负值。”
安古洛和她的同事实验中的测量结果表明，当光子激发原子时，光子在介质中的移动速度比原子保持在基态时要快。(光子不传递任何信息，所以结果与爱因斯坦狭义相对论设定的“没有什么能比光更快”的速度限制并不矛盾。)
辛克莱说:“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’时钟来测量原子在激发态中花费的时间，那么在某些情况下，时钟指针会向后移动，而不是向前移动。”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，但它对我们对时间本身的理解没有影响——但它确实再次说明，量子世界仍有惊喜在等待着我们。
“(安古洛)和团队的其他成员完成了一些令人印象深刻的事情，并产生了一组漂亮的测量结果。他们的研究结果提出了关于光子在吸收介质中传播的历史的有趣问题，并且需要对光学中群延迟的物理意义进行重新解释，”辛克莱说。
《科学光谱》
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