量子物理学家对古怪的、看似荒谬的现象并不陌生：原子和分子有时表现得像粒子，有时又像波；粒子之间可以通过“幽灵般的超距作用”相互连接，即使距离很远；量子物体可以将其自身与其属性分离，就像《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫将其笑容分离一样。现在，由多伦多大学的丹妮拉·安古洛领导的研究人员揭示了另一个奇异的量子结果：光子，光波粒子，可以在穿过冷却原子云时花费负时间。换句话说，光子似乎可以在进入材料之前就离开材料。
“实验花费了正的时间，但我们观察到光子可以使原子看起来在激发态花费 *负* 时间的实验已经完成！” 多伦多大学的物理学家埃弗雷姆·斯坦伯格在 X（前身为 Twitter）上发布了一篇关于这项新研究的帖子中写道，该研究于 9 月 5 日上传到预印本服务器 arXiv.org，尚未经过同行评审。
这项工作的想法出现在 2017 年。当时，斯坦伯格和他的实验室同事，当时的博士生约西亚·辛克莱，对光与物质的相互作用感兴趣，特别是被称为原子激发的一种现象：当光子穿过介质并被吸收时，在该介质中围绕原子旋转的电子会跃迁到更高的能级。当这些受激电子回到它们的原始状态时，它们会释放吸收的能量，重新发射光子，从而在光通过介质的观测传输时间中引入时间延迟。
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辛克莱的团队想要测量这种时间延迟（有时在技术上称为“群延迟”），并了解它是否取决于光子的命运：它是在原子云内部被散射和吸收，还是在没有任何相互作用的情况下被透射？ “当时，我们不确定答案是什么，我们觉得关于如此基本的问题应该很容易回答，”辛克莱说。“但是，我们与越多的人交谈，我们就越意识到，虽然每个人都有自己的直觉或猜测，但对于正确的答案应该是什么，并没有专家共识。” 因为这些延迟的性质可能非常奇怪且违反直觉，所以一些研究人员认为这种现象实际上对于描述与光相关的任何物理性质来说都是没有意义的。
经过三年的计划，他的团队开发了一种仪器在实验室中测试这个问题。他们的实验包括将光子射入超冷铷原子云，并测量由此产生的原子激发程度。实验中出现了两个令人惊讶的发现：有时光子会毫发无损地穿过，但铷原子仍然会被激发——而且激发的时间长度与它们吸收了这些光子时一样长。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，远在铷原子回到基态之前——就好像光子平均而言，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，以设计一种解释。出现的理论框架表明，这些透射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消退之前就被重新发射的情况下也是如此。
为了理解这种看似荒谬的发现，你可以将光子视为它们所是的模糊量子物体，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某个固定的时间内发生；相反，它发生在时间值的模糊的、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传输时间是瞬时的实例——或者，更奇怪的是，当它在原子激发停止之前结束时，这会给出一个负值。
“我可以向您保证，我们对这个预测感到非常惊讶，”辛克莱在谈到群延迟与透射光子作为原子激发所花费的时间之间的匹配时说。“一旦我们确信我们没有犯错，斯坦伯格和团队的其他成员——此时我已经转到[麻省理工学院]做博士后——就开始计划进行后续实验，以测试这个关于负停留时间的疯狂预测，看看该理论是否成立。”
安古洛领导的后续实验，斯坦伯格在 X 上吹捧的那个实验，可以通过考虑光子可以透射的两种方式来理解。在一种方式中，光子戴上某种眼罩，完全忽略原子，甚至没有点头就离开了。在另一种方式中，它与原子相互作用，将其提升到更高的能级，然后再重新发射。
“当你看到一个透射光子时，你无法知道其中哪一种发生了，”斯坦伯格说，他补充说，因为光子是量子领域的量子粒子，所以这两种结果可以处于叠加态——两件事可以同时发生。“测量装置最终处于测量零和测量某个小的正值的叠加态。” 但相应地，斯坦伯格指出，这也意味着有时“测量装置最终处于一种看起来不像‘零’加上‘某个正值’的状态，而是像‘零’减去‘某个正值’的状态，导致看起来像是错误的符号，即这个激发时间的负值。”
安古洛和她的同事的实验测量结果表明，当光子激发原子时，它们穿过介质的速度比原子保持在基态时更快。（光子没有传递任何信息，因此结果并不与爱因斯坦狭义相对论设定的“没有什么能比光速更快”的速度限制相矛盾。）
“负时间延迟可能看起来很矛盾，但它的意思是，如果你制造一个‘量子’时钟来测量原子在激发态花费了多少时间，那么在某些情况下，时钟指针会向后而不是向前移动，”辛克莱说。换句话说，光子被原子吸收的时间是负的。
尽管这种现象令人震惊，但它对我们对时间本身的理解没有任何影响——但它再次说明，量子世界仍然蕴藏着惊喜。
“安古洛和团队的其他成员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。他们的结果引发了关于光子在吸收介质中传播历史的有趣问题，并且有必要重新解释光学中群延迟的物理意义，”辛克莱说。
本文的一个版本最初发表在《Spektrum der Wissenschaft》杂志上，并经许可转载。