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量子物理学家在奇怪的实验中发现“负的时间”

2024-10-15 15:20阅读：

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量子物理学家在奇怪的实验中发现 “负的时间”
By Manon Bischoff, Jeanna Bryner
published October 5, 2024
Quantum Physics
物理学家表明了光子似乎能在进入物质之前退出物质，揭示负的时间的观测证据
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量子物理学家在奇怪的实验中发现“负的时间”

在量子领域中时间能采取负值。(Image credit: SEAN GLADWELL via Getty Images)
量子物理学家是熟悉摇摆的、看似荒谬的现象：原子和分子有时行为粒子有时为波，粒子能被在一个距离上的诡异行动彼此连接甚至在很远的距离上；量子物体能从它们自己的属性脱离就像《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫脱离它的狞笑一样。现在多伦多大学的丹妮拉·安古洛领导的研究人员已经揭示了量子结果的另一个奇球：光的波动粒子光子能花负的时间量疾驰过一团冷原子。换句话说，光子似乎能在进入物质之前退出一种物质。
多伦多大学物理学家斯顿伯格（Aephraim Steinberg）在X（前身为推特）上发布了一篇关于这项新研究的帖子写道，“这花了一个正的时间的量，但我们的实验观测到光子能使原子在激发态中来度过一个负的量的时间！”这项新研究于9月5日上传到预印本服务器arXiv.org，还没有被同行评审。
这项工作的想法浮现在2017年。当时斯顿伯格和一位实验室同事当时的博士生辛克莱（Josiah Sinclair）对光和物质的相互作用感兴趣，尤其是一种称为原子激发的现象：当光子穿过一个介质并被吸收时在该介质中围绕原子涡旋的电子跳到更高的能级。当这些激发的电子时间过到它们的原始状态时它们释放吸收的能量作为重新发射的光子，在光的通过介质过渡时间的观测中引入一个时间延迟。
辛克莱的团队想要测量这种时间延迟（有时在技术上叫一个“群延迟”）并了解是否它依靠那个光子的命运：它被在原子云内散射和吸收还是它从来没有与什么相互作用被传输？辛克莱说 “当时我们不确定答案是什么，我们觉得像这样一个关于某些如此根本的东西的问题应该容易来回答。但我们交谈的人越多我们就越意识到虽然每个人都有他们自己的直觉或猜测，但关于正确的答案将是的没有专家共识” 。由于这些延迟的性质能是如此奇怪和反直觉的，一些研究人员已经写下这一现象对描述与光相关的任何物理属性效果上无意义的。
在三年的规划后，他的团队开发了一种在实验室中测试这个问题的装置。他们的实验涉及通过一个超冷铷原子云发射光子并测量由此造成的原子激发程度。从实验浮现了两个惊奇：有时光子会毫发无损的穿过但铷原子仍然变得被激发——而且只要它们已经吸收了这些光子刚好就那么长久。更奇怪的是当光子被吸收时它们似乎将几乎立即的被重新发射，远在铷原子恢复到它们的基态之前——就好像光子平均比被预期的更快离开原子一样。
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·怀斯曼合作来设计一种解释。浮现的理论框架表明了这些传输的光子作为原子激发所花费的时间完美的被光获得的预期的群延迟匹配，甚至对似乎像光子在原子激发已经退潮之前被重新发射一样。
为理解这一荒谬的发现，你能把光子看作它们是的模糊量子物体，其中任何给定的光子通过一个原子激发的吸收和再发射都不能保证在一定的固定的时间量内发生；相反它跨时间值的模糊出的概率范围发生。正如被该团队的实验证明的那样这些值能包括当一个单个光子的传输时间是瞬时的案例——或者奇特的是当它在原子激发已经停止之前结束时这给出一个负值。
辛克莱说，“我能向你承诺我们被这一预测彻底惊讶”。指群延迟和传输的光子作为原子激发花费的时间之间的匹配。“一旦我们确信我们没有犯一个错，斯顿伯格和剩下的团队成员——此时我已经在麻省理工学院做了博士后——就开始计划做一个后续实验来测试这种负停留时间的疯狂预测并看是否这个理论将成立” 。
由斯顿伯格在X上吹捧的由安古洛领导的后续实验能被考虑一个光子能被传输的两种方式理解。在一个例子中，光子戴着某种眼罩并完全的忽略原子，甚至没有一个点头离开。在另一种情况下，它与原子相互作用，将它在被重新发射之前提升到一个更高能级。
斯顿伯格说，“当你看到一个传递的光子时你不能知道是这些哪个发生的” 。他补充说因为光子是量子领域中的量子粒子，这两个结果能是在超位中——这两件事能同时发生。“测量装置终结在一个测量零和测量一些小的正值的超位中” 。但斯顿伯格对应的指出也意味着有时“测量装置终结在一个看起来不像‘零’加某些‘正的东西’而是像‘零’减某些‘正’的一样的状态中，造成对这个激发时间看起来像是错误的符号一个负值一样” 。
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. 在安古洛和她的同事们的实验中的测量结果提示光子它们激发了原子时比当原子保持在它们的基态时更快移动穿过介质。（光子没有交流任何信息因此结果与爱因斯坦狭义相对论设定的“没有任何东西能比光速更快旅行”的速度限制并不矛盾）。
辛克莱说，“一个负的时间延迟可能看起来是悖论的，但这意味着如果你建造一个‘量子’时钟来测量原子在激发态中正在花费多少时间，在某些情况下时钟指针会向后移动而不是向前移动”。换句话说其中光子被原子吸收的时间是负的。
即便这一现象正在令人震惊，但它已经没有影响我们的时间本身的理解——但它确实再次描述量子世界仍然有惊奇储藏。
辛克莱说，“[安古洛]和团队的其他成员已经完成了某些真的令人印象深刻的东西并产生了一套美丽的测量结果。他们的结果提出关于光子旅行穿过吸收介质的历史的有趣问题，并需要一个光学中群延迟的物理意义的重新解释”。
本文的一个版本最初出现在Spektrum der Wissenschaft上并经许可转载。
这篇文章首次发表在《科学的美国人》上。©ScientificAmerican.com。保留所有权利。关注TikTok and Instagram、X和Facebook。
https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/quantum-physicists-discover-negative-time-in-strange-experiment

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