物理学家在实验室测量了“负时间”

正如荷马所述，奥德修斯逆境中完成了一场史诗般的旅程，从特洛伊回到了他的家乡伊萨卡。他访问了许多土地，但大多数时间都与仙女卡吕普索一起居住在她的岛上。我们可以想象，他的妻子佩内洛普会问他那段时间的事。奥德修斯可能会回答：“没什么。事实上，这甚至比什么都没有。负五年我与卡利普索共度时光。否则我怎么可能在十年后回家？如果你不信，就问她。”

事实证明，量子粒子和奥德修斯一样狡猾，正如我们在《物理评论快报》上发表的一项实验中所展示的那样。它们的到达时间不仅可以暗示它们与其他粒子共处了负的时间，如果有人问这些粒子，它们也会证实这个故事。

与原子共存的光子

我们的实验使用了光子——量子光粒子——以及它们必须经历的逆境旅程，才能直接穿过一团铷原子云。

这些原子与光子有“共振”，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。这使得光子在原子云中“停留”一段时间后才被释放。

为了使这种共振有效，光子必须具有明确的能量，与将铷原子置于激发态所需的能量相匹配。

但根据海森堡著名的不确定性原理，如果光子的能量是明确定义的，那么其时间必然不确定：光子所占据的光脉冲必须具有较长的持续时间。这意味着我们无法确切知道光子何时进入云，但可以平均知道它进入云的时间。

如果像这样的光子被发射到云中，最可能的结果是它的能量会传递给原子，然后以光子的随机方向重新发射。在这种情况下，光子被散射，无法到达其伊萨卡。

光子到达时间

但如果光子真的穿透了，就会发生奇怪的事情。根据光子进入云的平均时间，可以计算出它以光速（光子通常是如此）到达云远侧的预期平均时间。

结果发现光子实际上比那时间早得多。事实上，它到达得非常早，以至于似乎在云层内部停留了负数时间——平均来说，在进入云层之前就已经离开了。

这一效应已知数十年，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把这段负面时间当真。

这是因为可以解释为，只有长持续时间脉冲的最前端能穿透原子云，其余部分则是散射的。这导致一个成功的（非散射）光子比天真预期的更早到达。

向原子提问

然而，1993年论文的作者之一艾弗拉伊姆·斯坦伯格并不那么快接受将负时间视为伪造物的否定。在多伦多大学的实验室里，他想弄清楚如果对云中的铷原子进行探测，以了解光子作为激发在其中停留了多长时间，会发生什么。

在最初的实验结果不确定后，他作为量子理论家请我帮忙弄清楚会发生什么。

当我们谈论查询原子时，实际上这意味着在光子穿过云时，持续测量原子，以探测光子当前是否驻留在云中。但这里有一个微妙之处：量子物理中的测量不可避免地扰乱被测量的系统。

如果我们精确测量光子在每个时刻是否停留在原子中，就能阻止原子与光子相互作用。仿佛只要仔细观察卡吕普索，我们就能阻止她接触奥德修斯（或反之亦然）。这就是众所周知的量子芝诺效应，它将摧毁我们想要研究的现象。

我们的实验

解决方案是进行非常不精确（但校准非常准确）的测量。这就是为了让干扰微乎其微而付出的代价。具体来说，我们发射了一束弱激光束——与单一光子脉冲无关——穿过原子云，测量光束相位的微小变化，以探测原子是否被激发。

实验的任何一次运行只能粗略判断光子是否停留在原子中，但平均数百万次运行即可获得准确的停留时间。

令人惊讶的是，这种对停留时间的弱测量结果，即光子直接穿过云时，正好等于光子平均到达时间所暗示的负时间。在我们工作之前，没有人预料到这两次以完全不同方式衡量的时间会是相等的。

关键是，弱测量的滞留时间的负值不能通过想象只有光子脉冲的前端通过，而非从到达时间推断的时间来解释。

那么，这一切意味着什么？时光机就在眼前吗？

遗憾的是，没有。我们的实验完全可以用标准物理解释。

但它确实表明负停留时间不是伪造物。无论这看似矛盾，它对光子穿越的原子云有直接可测量的影响。它也提醒我们，量子研究这段漫长的奥德赛中仍有许多领域等待我们去发现。