研究：量子实验确认存在“负时间”

光子实验的假想图。(Shutterstock)

2026-05-23 02:19 中港台时间

人气 11

【大纪元2026年05月22日讯】（大纪元记者笛睿编译报导）如荷马所述，奥德修斯历尽艰辛，从特洛伊踏上了返回故乡伊萨卡的史诗旅途。他游历了许多地方，但大部分时间都与仙女卡吕普索共处于她的岛屿之上。

我们可以想像，他的妻子珀涅罗珀会问起那段特殊的岁月。奥德修斯或许会这样回答：“那不算什么。事实上，比什么都没有还要少。我在卡吕普索那里度过了负五年。否则，我怎么可能在仅仅十年后便抵达家乡？如果你不相信我，去问她吧。”

事实证明，量子粒子和奥德修斯一样狡黠，正如一项于4月13日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters，PRL）的实验中所证明的那样。它们的到达时间不仅暗示它们与其它粒子互动了“负值”的时间，而且如果向那些粒子询问，它们也会印证这个说法。

光子与原子共处

该研究实验使用了光子——光的量子粒子——以及它们必须历尽艰辛才能直线穿越一团铷原子云的旅程。

这些原子与光子之间存在“共振”，这意味着，光子的能量可以暂时以原子激发的形式转移给原子。这让光子在被释放之前，能够在原子云中“停留”一段时间。

要使这种共振有效，光子必须拥有高度确定的能量（即极窄的频率波动），恰好与使铷原子进入激发态所需的能量相同。

然而，根据海森堡著名的不确定性原理的一种形式，如果光子的能量被精确定义（频带极窄），那么其时间就必然是不确定的：光子的波包（Wavepacket）在时间上将延伸得很长。这意味着我们无法确切知道光子何时进入云层，但我们可以知道它平均何时进入。

如果这样的光子被射入云层，最可能的结果是其能量被转移给原子，然后以随机方向重新辐射出一个光子。在这种情况下，光子被散射，未能抵达它的“伊萨卡”。

光子到达时间

但如果光子确实直线穿越了云层，一件奇怪的事情便会发生。根据光子进入云层的平均时间，人们可以计算出它在假设以光速（光子通常如此）行进的情况下，预期到达云层另一侧的平均时间。

然而实际发现的是，光子到达的时间远比预期早得多。事实上，它到达得如此之早，以至于其测量值表现为在云层内部停留了负时间。这在光学上被称为“负群延迟”（Negative Group Delay），即输出脉冲的波峰显现得比预期更早。

这其实是一种“波形重构”（Reshaping）的效应，当光脉冲通过共振介质时，由于介质的色散（Dispersion）效应，脉冲的波峰在出射面的重构被提前了，导致“输出脉冲的波峰”比“输入脉冲的波峰”在真空中的传播时间还要早出现。

这种效应已被人们知晓数十年，并在1993年的一项实验中被观察到。但大多数物理学家决定不去认真对待这个负时间。

这是因为过去有一种经典解释：由于介质的重塑效应，光脉冲的后半段被强烈吸收或散射，导致通过后的脉冲中心看似向前移动了。

“询问”原子

然而，1993年那篇论文的作者之一埃弗莱姆‧斯坦伯格（Aephraim Steinberg），并不急于接受将负时间视为人们假想的这种否定性说法。在他位于多伦多大学的实验室里，他希望弄清楚：如果向云层中的铷原子“询问”光子以激发态形式停留在其中的时间，会得到什么结果。在一次结果不确定的初步实验之后，他请一名量子理论物理学家协助计算预期结果。

当谈到“询问”原子时，在实际操作中，这意味着在光子穿越云层的过程中，持续对原子进行测量，以探测光子的能量当前是否停留其中。但这里存在一个微妙之处：量子物理中的测量不可避免地会扰动被测量的系统。

如果我们在这段时间内对原子是否处于激发态进行连续且强烈的测量，就会阻止原子与光子之间的相互作用。这就好比，仅仅透过密切注视卡吕普索，便会阻止她接触奥德修斯（反之亦然）。这就是众所周知的量子芝诺效应，它会摧毁我们希望研究的现象本身。