量子物理再出奇聞：實驗測量顯示，粒子仿佛在倒著走時間？

一個粒子先離開某個地方，然后才進入這個地方。這聽起來像是科幻小說里的情節(jié)，但它剛剛在實驗室里被嚴(yán)格測量和證實了。

由格里菲斯大學(xué)量子動力學(xué)中心主任霍華德·懷斯曼參與領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，在《物理評論快報》發(fā)表了最新實驗結(jié)果，證明光子穿越銣原子云時的停留時間可以是負(fù)值，而且這個負(fù)值可以用兩種完全獨立的方法同時測量，并且兩者的結(jié)果吻合得出人意料地精確。

這不是數(shù)學(xué)游戲，也不是測量誤差，而是量子世界的一個真實物理效應(yīng)。

要理解這件事，得先搞清楚實驗的設(shè)置。

在一系列新的實驗中，研究人員將激光束照射到一團銣原子云上。

研究人員將特定能量的激光脈沖射向一團銣原子云。這些銣原子與光子存在"共振"關(guān)系，意味著光子的能量可以暫時轉(zhuǎn)移給原子，以原子激發(fā)態(tài)的形式短暫"寄居"其中，之后再以光子形式被釋放出來繼續(xù)前行。

大多數(shù)情況下，光子會在這個過程中被散射到各個方向，無法直線穿越。但偶爾，有些光子能夠直接穿過原子云到達另一側(cè)。

問題來了：這些成功穿越的光子，到達時間比預(yù)期的早得多。

根據(jù)光子進入云層的平均時間，以及光速行進所需的時間，理論上可以算出它應(yīng)該何時到達對面。然而實驗測量顯示，光子實際到達的時間明顯早于這個預(yù)期值，早到如果倒推其在云層內(nèi)的停留時間，得到的竟然是一個負(fù)數(shù)。

平均而言，光子像是先離開了云層，然后才進入云層。

這個現(xiàn)象本身并非新發(fā)現(xiàn)，早在1993年就有實驗觀察到類似效應(yīng)，但當(dāng)時物理學(xué)界的主流解釋是：這只是一種統(tǒng)計上的人為現(xiàn)象，是因為長脈沖的最前沿部分率先穿越了云層，并不代表真正意義上的"負(fù)時間"。這種解釋雖然技術(shù)上說得通，但一直讓部分物理學(xué)家感到不踏實。

他的想法是：既然光子在穿越云層時，能量以激發(fā)態(tài)的形式暫時存儲在銣原子里，那么能不能直接去問這些原子，光子在它們之間待了多久？

如果原子給出的停留時間也是負(fù)數(shù)，那"人為因素"這個解釋就站不住腳了，因為這是一種完全不同的測量方式。

直接測量存在一個經(jīng)典的量子困境：根據(jù)海森堡不確定性原理，對量子系統(tǒng)的測量會不可避免地擾亂它。如果每時每刻都精確追蹤光子是否在原子中，就會觸發(fā)量子芝諾效應(yīng)，實驗所關(guān)注的現(xiàn)象反而會被測量行為本身破壞掉。

解決方案是"弱測量"，即有意降低單次測量的精度，讓每次測量對系統(tǒng)的干擾降到最低。具體操作是向原子云持續(xù)發(fā)射一束與實驗光子無關(guān)的微弱激光，通過檢測這束激光相位的極其微小的變化，來探測銣原子是否處于激發(fā)狀態(tài)。

單次實驗幾乎什么都看不出來，但對數(shù)百萬次實驗結(jié)果取平均之后，停留時間就可以被精確計算出來。

結(jié)果令人震驚：用"詢問原子"這種方式得到的停留時間，與從光子到達時間反推出的負(fù)值，精確吻合。

更重要的是，弱測量得到的負(fù)停留時間，無法用"只有脈沖前沿穿越了云層"這個舊解釋來消解。因為弱測量探測的是原子的激發(fā)狀態(tài)，與脈沖形狀的統(tǒng)計特征無關(guān)，是一種獨立的物理信息來源。

兩種方法，兩種邏輯，同一個負(fù)數(shù)，宣告"人為因素"的解釋走到了盡頭。

不，完全不是這回事。

研究團隊特別強調(diào)，這一實驗的全部結(jié)果都可以用標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)框架完整解釋，不需要引入任何新物理。沒有任何信息或能量以超光速傳輸，因果律完好無損，時間機器不會因此誕生。

負(fù)停留時間是量子疊加態(tài)和弱測量框架下的一個合法物理量，就像量子力學(xué)中存在負(fù)概率的"準(zhǔn)概率分布"一樣，它是量子世界描述現(xiàn)實的一種數(shù)學(xué)工具，在經(jīng)典直覺框架下看起來荒謬，但在量子力學(xué)的語境里完全自洽。

它真正挑戰(zhàn)的，是我們對"時間"在量子尺度上意味著什么這個問題的理解。在經(jīng)典世界里，一個物體在某個地方停留的時間只能是零或正數(shù)，但量子世界有自己的規(guī)則，而這個實驗把其中一條規(guī)則用實驗數(shù)據(jù)清清楚楚地寫了出來。

量子物理從不吝嗇給人驚喜，但這一次的驚喜，連專家也沒有完全預(yù)料到。