量子实验测量到光子“负时间延迟”现象

这项发表在预印本论文中并已提交同行评审，并由《独立报》报道的发现，提出了一个关于量子相互作用中时间概念的有趣难题，而不是暗示时间本身在倒流。

量子实验的细节

包括来自多伦多大学三一学院的研究人员在内的团队，将光子 направлены 通过超冷铷原子云，以研究原子激发过程。通常，当光子与这种介质中的原子相互作用时，会观察到时间延迟（通常以“群延迟”或“停留时间”为特征）——由于相互作用，光子需要花费少量时间才能穿过云层。然而，在对光子行为进行了七年的细致研究之后，该团队在某些实验条件下遇到了非凡的结果：

• 一些光子被探测到离开云层，其相关的计算相互作用时间为负值——具体而言，他们的预印本报告了高达 -0.47 毫秒的负“停留时间”。
• 这个负值产生的原因是，光子波包的峰值出现在出口处，早于根据真空中的光速和云层的长度所预期的，从而造成了它们在完成相互作用之前就离开的错觉。
• 这一观察从根本上挑战了我们如何解释从量子测量中得出的相互作用时间，并引发了关于量子尺度上与时间相关的度量的本质的有趣问题。

光子的意外行为

实验中观察到的不寻常的光子行为指向了不同于简单经典相互作用的现象。关键观察包括：

• 产生负相互作用时间的计算，表明光子有效地相对于预期的延迟“提前跳跃”了时间。
• 即使当透射光子似乎没有发生显著相互作用时，原子也会被激发的情况（一种已知的与无相互作用测量概念相关的量子现象）。
• 在导致负延迟效应的条件下，光子被吸收然后几乎瞬间重新发射。

理论物理学家霍华德·怀斯曼（格里菲斯大学，未直接参与但对相关概念发表评论）认为，这种现象通常源于量子力学的概率性质。光子的吸收和发射遵循概率模型。在某些量子情景中，特别是那些涉及干涉和叠加的情景中，测量的平均或最可能结果可能会产生违反直觉的结果，例如明显的负时间延迟。多伦多大学的论文表明，量子叠加原理是关键：粒子可以同时存在于多种状态，经历不同的潜在结果。至关重要的是，他们提出，即使是测量仪器本身也可以进入叠加态，同时记录不同的相互作用可能性。当执行和平均测量时，这种量子模糊性可以表现为计算出的相互作用时间的负值，突显了量子测量的反直觉性质。

解读“负时间延迟”

虽然“负时间延迟”或“负停留时间”的概念挑战了我们的日常直觉，但至关重要的是，它并不意味着时间本身在倒流，或者因果关系被违反（允许先有结果后有原因）。相反，它揭示了量子测量的奇特性质以及它们在定义相互作用持续时间时的概率性结果。

负延迟表明，一个假设的“量子时钟”，旨在基于例如原子的激发过程来测量持续时间，在这些特定的量子干涉条件下，可能看起来在倒转运行。这种效应源于量子相互作用的概率性质，其中光子和原子以叠加态存在。测量的负值是相互作用时间在这种量子背景下如何被定义和测量的结果，涉及不同概率幅度的干涉，而不是时间之箭的根本逆转。

这些结果突显了将经典时间持续概念直接应用于量子系统的局限性。它们表明，可能需要新的框架或改进的解释，才能充分掌握量子层面的时间行为，尤其是在处理波包重塑和干涉时。

虽然这些发现不会改变我们对时间向前流逝的宏观感知，但它们为研究量子力学中时间的本质开辟了新的途径，并可能导致对量子光学实验的更精细的解释，并有可能产生新的量子测量技术。

研究现状和科学界反应

描述这种量子现象的研究，题为“光子可以在原子云中花费负时间的实验证据”，目前正在进行同行评审（可在 arXiv 上以预印本形式获得）。尽管其处于初步状态，但这项研究已在科学界引起了极大的兴趣和惊讶。

多伦多大学的实验量子物理学家、该论文的主要作者之一 Aephraim Steinberg 在社交媒体上分享说，乍一看，结果可能看起来“疯狂”。另一位参与研究的研究员 Josiah Sinclair 表示，该团队对他们的发现“完全感到惊讶”。科学界的反应是谨慎的兴趣，承认需要严格的同行评审和独立重复，以证实如此非凡的主张并充分理解其含义。

虽然这项发现令人着迷，但专家强调，这些结果与量子测量和波包动力学的复杂性有关。它们并未推翻我们对宏观时间的根本理解，但突显了在讨论量子领域的时间概念时需要谨慎解释。