研究：量子實驗確認存在「負時間」

光子實驗的假想圖。(Shutterstock)

2026-05-23 02:19 中港台時間

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【大紀元2026年05月22日訊】（大紀元記者笛睿編譯報導）如荷馬所述，奧德修斯歷盡艱辛，從特洛伊踏上了返回故鄉伊薩卡的史詩旅途。他遊歷了許多地方，但大部分時間都與仙女卡呂普索共處於她的島嶼之上。

我們可以想像，他的妻子珀涅羅珀會問起那段特殊的歲月。奧德修斯或許會這樣回答：「那不算什麼。事實上，比什麼都沒有還要少。我在卡呂普索那裡度過了負五年。否則，我怎麼可能在僅僅十年後便抵達家鄉？如果你不相信我，去問她吧。」

事實證明，量子粒子和奧德修斯一樣狡黠，正如一項於4月13日發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters，PRL）的實驗中所證明的那樣。它們的到達時間不僅暗示它們與其它粒子互動了「負值」的時間，而且如果向那些粒子詢問，它們也會印證這個說法。

光子與原子共處

該研究實驗使用了光子——光的量子粒子——以及它們必須歷盡艱辛才能直線穿越一團銣原子雲的旅程。

這些原子與光子之間存在「共振」，這意味著，光子的能量可以暫時以原子激發的形式轉移給原子。這讓光子在被釋放之前，能夠在原子雲中「停留」一段時間。

要使這種共振有效，光子必須擁有高度確定的能量（即極窄的頻率波動），恰好與使銣原子進入激發態所需的能量相同。

然而，根據海森堡著名的不確定性原理的一種形式，如果光子的能量被精確定義（頻帶極窄），那麼其時間就必然是不確定的：光子的波包（Wavepacket）在時間上將延伸得很長。這意味著我們無法確切知道光子何時進入雲層，但我們可以知道它平均何時進入。

如果這樣的光子被射入雲層，最可能的結果是其能量被轉移給原子，然後以隨機方向重新輻射出一個光子。在這種情況下，光子被散射，未能抵達它的「伊薩卡」。

光子到達時間

但如果光子確實直線穿越了雲層，一件奇怪的事情便會發生。根據光子進入雲層的平均時間，人們可以計算出它在假設以光速（光子通常如此）行進的情況下，預期到達雲層另一側的平均時間。

然而實際發現的是，光子到達的時間遠比預期早得多。事實上，它到達得如此之早，以至於其測量值表現為在雲層內部停留了負時間。這在光學上被稱為「負群延遲」（Negative Group Delay），即輸出脈衝的波峰顯現得比預期更早。

這其實是一種「波形重構」（Reshaping）的效應，當光脈衝通過共振介質時，由於介質的色散（Dispersion）效應，脈衝的波峰在出射面的重構被提前了，導致「輸出脈衝的波峰」比「輸入脈衝的波峰」在真空中的傳播時間還要早出現。

這種效應已被人們知曉數十年，並在1993年的一項實驗中被觀察到。但大多數物理學家決定不去認真對待這個負時間。

這是因為過去有一種經典解釋：由於介質的重塑效應，光脈衝的後半段被強烈吸收或散射，導致通過後的脈衝中心看似向前移動了。

「詢問」原子

然而，1993年那篇論文的作者之一埃弗萊姆‧斯坦伯格（Aephraim Steinberg），並不急於接受將負時間視為人們假想的這種否定性說法。在他位於多倫多大學的實驗室裡，他希望弄清楚：如果向雲層中的銣原子「詢問」光子以激發態形式停留在其中的時間，會得到什麼結果。在一次結果不確定的初步實驗之後，他請一名量子理論物理學家協助計算預期結果。

當談到「詢問」原子時，在實際操作中，這意味著在光子穿越雲層的過程中，持續對原子進行測量，以探測光子的能量當前是否停留其中。但這裡存在一個微妙之處：量子物理中的測量不可避免地會擾動被測量的系統。

如果我們在這段時間內對原子是否處於激發態進行連續且強烈的測量，就會阻止原子與光子之間的相互作用。這就好比，僅僅透過密切注視卡呂普索，便會阻止她接觸奧德修斯（反之亦然）。這就是眾所周知的量子芝諾效應，它會摧毀我們希望研究的現象本身。