量子物理學家在一次奇特實驗中,竟然意外的發現了“負時間”,難道時光倒流真的存在?
63 觀看·2024年10月9日
在量子物理的領域,科學家們常常會遇到一些看似荒謬的現象,這些現象挑戰了我們對現實的理解。比如,原子和分子有時表現得像粒子,有時又像波動;粒子之間可以通過一種被稱為“超距作用”的神秘力量相互關聯,即使它們相距甚遠;而量子物體甚至可以像《愛麗絲夢遊仙境》中的切莎貓那樣,與自身的特性完全脫離。近期,由多倫多大學的丹妮拉·安古洛領導的研究團隊揭示了另一個令人驚奇的量子現象:光子,作為光的波粒二象性的體現載體,可以在經過冷卻原子雲時消耗“負時間”。換句話說,光子似乎能夠在進入材料之前就已經離開,似乎挑戰了我們對時間的基本認識。
在量子物理的領域
科學家們常常會遇到一些看似荒謬的現象
這些現象挑戰了我們對現實的理解
比如 原子和分子有時表現得像粒子
有時又像波動
粒子之間可以通過一種
被稱為超具作用的神祕力量相互關聯
即使它們相距甚遠
而量子物體
甚至可以像愛麗絲夢遊仙境中的切沙貓那樣
與自身的特性完全脫離
近期
由多倫多大學的丹尼拉恩古洛領導的研究團隊
揭示了另一個令人驚奇的量子現象
光子
作為光的玻璃二向性的體現在體
可以在經過冷卻原子雲時消耗負時間
換句話說
光子似乎能夠在進入材料之前就已經離開
似乎挑戰了我們對時間的基本認識
多倫多大學的物理學家艾弗拉西姆斯坦伯格
在社交媒體平臺X上
發布了關於這項新研究的帖子
他提到
光子消耗了正的時間
但我們的實驗觀察到光子可以讓原子在激發態中
顯得消耗了負時間
該研究於9月5日上傳至預印本服務器R14
ORG
目前尚未經過同行評審
這一工作的靈感源於2017年
當時斯坦伯格和他的實驗室同事
博士生約西亞辛克萊
對光與物質的相互作用產生了濃厚的興趣
尤其關注一種稱為原子激發的現象
在這個過程中
光子穿過介質並被吸收
導致圍繞原子的電子躍遷到更高的能級
當這些激發態的電子回到原始狀態時
它們會以重新發射的光子形式
釋放所吸收的能量
這一過程引入了光通過介質的觀測時間延遲
辛克萊的團隊希望測量這種時間延遲
並瞭解它是否依賴於光子的命運
光子是在原子雲內部被散射和吸收
還是在沒有任何相互作用的情況下通過
辛克萊回憶道
當時我們對答案並不確定
我們認為這個基礎性的問題應該容易回答
但隨著與越來越多人的交流
我們意識到
雖然每個人都有自己的直覺或猜測
但並沒有達成專家共識
由於這些延遲的性質往往奇特且反直覺
一些研究者甚至認為
這一現象對描述與光相關的任何物理屬性
幾乎沒有意義
經過三年的策劃
辛克萊的團隊終於開發出一種實驗設備
來檢驗這個問題
他們的實驗涉及將光子射穿超冷如原子雲
並測量由此引起的原子激發程度
實驗中出現了兩個令人意外的結果
有時光子毫髮無損地通過
但如原子卻依然激發
激發的持續時間與光子被吸收時的時間完全相同
更為奇怪的是
當光子被吸收後
它們似乎幾乎瞬間被重新發射
甚至在如原子返回基態之前
彷彿光子的離開速度比預期還要快
為了對此現象進行解釋
該團隊與澳大利亞格里菲斯大學的理論物理學家
霍華·德維斯曼展開了合作
最終
他們提出的理論框架表明
這些被傳輸光子在原子激發狀態所消耗的時間
與光所獲得的預期羣延遲之間
存在完美的匹配
即使在某些情況下
看起來光子似乎在原子激發消退之前被重新發射
為了理解這一看似荒謬的發現
可以將光子視作模糊的量子物體
任何給定光子的吸收和重新發射
並不保證在固定的時間內發生
而是發生在一個模糊的概率性的時間範圍內
正如實驗所示
這些時間值可以包含個別光子的傳輸時間為順時的情況
甚至更離奇的是
當光子在原子激發結束之前完成傳輸時
會導致負值的出現
辛克萊對此表示
我可以向你保證
我們對這個預測完全感到驚訝
他提到羣延遲與傳輸光子
在原子激發中所消耗的時間之間的匹配
當我們確信沒有犯錯後
斯坦伯格和其他團隊成員
此時我已轉到麻省理工學院做博士後
開始計劃後續實驗
以測試這個關於負停留時間的瘋狂預測
看看理論是否成立
安古洛領導的後續實驗
可以通過考慮光子傳輸的兩種方式來理解
在一種情況下
光子矇住了眼睛
完全忽視了原子
甚至沒有打個招呼
在另一種情況下
光子與原子相互作用
將其提升到更高的能級
然後被重新發射
斯坦伯格指出
當你看到一個被傳輸的光子時
你無法確定發生了哪種情況
因為光子是量子粒子
在量子領域中
兩種結果可以處於疊加狀態
即這兩件事情可以同時發生
測量設備最終會處於
測量0與測量某個小的正值的疊加狀態
但這也意味著
有時測量設備會處於一種
看似不是0加上某個正值
而是0減去某個正值的狀態
從而導致這一激發時間的值
看起來是錯誤的
即負值
安古洛及其同事的實驗結果表明
當光子激發原子時
它們在介質中的移動速度
比原子保持在基態時更快
值得注意的是
這一現象並不違反愛因斯坦狹義相對論
所設定的沒有任何東西
可以以超光速傳播的限制
因為光子並沒有傳遞任何信息
辛克萊解釋說
負時間延遲可能看起來悖論重重
但這意味著
如果你建立一個量子時鐘
來測量原子在激發態中花費的時間
在某些情況下
時鐘指針會向後而不是向前移動
換句話說
光子被原子吸收的時間是負的
儘管這一現象令人驚訝
它並未改變我們對時間本身的理解
但它再次證明瞭
量子世界依然充滿驚喜
辛克萊表示
安古洛和團隊的其他成員
取得了令人印象深刻的成就
產生了一組美麗的測量結果
他們的結果引發了關於
光子在吸收介質中旅行歷史的有趣問題
並需要重新解釋光學中羣延遲的物理意義
這一發現
為量子物理學領域增添了新的維度
同時也激發了科學界對光子行為的新思考
我們在探索量子世界的過程中
逐漸揭開了許多神祕面紗
讓我們期待未來更多的發現與突破

