物理学家在光子穿过原子云的实验中观察到了负值的居留时间。这项研究证实了量子粒子在特定相互作用下，其存在状态可以用负数时间来描述，刷新了人类对时间本质的认知。
古希腊史诗《奥德赛》中记述了英雄奥德修斯历经磨难从特洛伊回到家乡伊萨卡的漫长旅程。在这个过程中，他曾在女神卡吕普索的岛上停留多年。如果他的妻子佩内洛普询问那段时光，奥德修斯或许会开玩笑说，他在岛上停留的时间是负5年，否则他怎么可能在10年内就回到家。在量子物理的世界里，这种听起来像是狡辩的“负时间”竟然真的被科学家捕捉到了。
在发表于《Physical Review Letters》的一项实验中，研究人员证明量子粒子就像奥德修斯一样狡猾。实验发现，这些粒子在与其他粒子互动时的“到达时间”显示，它们在某种状态下停留的时间长度可以是负数，而且被互动的粒子也能证实这个故事的真实性。
这次实验的主角是光子，即光量子，以及一团由铷原子组成的云气。光子在穿过这团原子云时，必须经历一场充满变数的旅程。由于原子与光子之间存在某种“共振”，光子的能量可以暂时转移给原子，使原子进入激发态。这种现象意味着光子在被释放前，会在原子云中“居留”一段时间。
要实现这种有效的共振，光子必须拥有精确定义的能量，以匹配铷原子进入激发态所需的能量级。然而，根据海森堡测不准原理，如果光子的能量是精确定义的，那么它出现的时间就是不确定的。这意味着光子所占据的光脉冲持续时间会很长，我们无法确切知道光子进入原子云的精确瞬间，只能知道一个平均时间。
1993年的一篇论文曾提出，光子穿过这种介质的时间可能是负数。当时许多人认为这只是一种数学上的偏差或假象。但多伦多大学的 Aephraim Steinberg 并没有轻易否定这个观点。他想弄清楚，如果直接询问那些铷原子，看看光子以激发态的形式在它们中间停留了多久，会得到什么答案。于是，他邀请了格里菲斯大学的量子理论家 Howard Wiseman 协助，共同预测实验可能出现的结果。
在量子物理中，“询问原子”意味着在光子经过原子云时对原子进行持续测量，以探测光子的能量是否驻留在那里。但这里存在一个微妙的障碍，即量子物理中的测量必然会干扰被测系统。如果我们对光子是否停留在原子中进行过于精确的实时测量，就会阻止原子与光子的相互作用，从而破坏我们想要研究的现象。这在物理学中被称为“量子芝诺效应”。
为了避开这个陷阱，研究小组采取了一种非常不精确但经过精确校准的测量方法，称为“弱测量”。这种方法的代价是测量扰动极小，足以保持系统的原始状态。具体而言，他们向原子云发射了一束微弱的激光，这束激光与单光子脉冲无关，研究人员通过测量激光相位的微小变化来探测原子是否处于激发态。
虽然单次实验只能给出非常模糊的指引，但通过对数百万次实验结果取平均值，研究人员得到了准确的居留时间。令人惊讶的是，当光子直接穿过原子云时，这种弱测量的结果正好等于光子平均到达时间所暗示的“负时间”。在这一研究完成之前，没有人料到这两种截然不同的测量方式会得出完全一致的结果。
关键在于，这种通过弱测量得到的负居留时间无法用“只有脉冲前沿通过”之类的传统逻辑来解释。那么，这是否意味着人类很快就能制造出时间机器？遗憾的是，答案是否定的。这项实验依然在标准物理学的框架内运行。
它真正的意义在于证明了“负居留时间”并非数学游戏，而是一个具有直接可测量效应的物理事实。尽管这听起来极其荒谬且违反直觉，但它确实对光子穿过的原子云产生了影响。量子研究的这场奥德赛之旅提醒着我们，在微观世界的深处，依然有许多尚未被发现的奇幻领地等待探索。
本文译自 sciencealert，由 BALI 编辑发布。
